（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

壓氣機(jī)機(jī)匣零件作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工件材料難加工等因素導(dǎo)致在實(shí)際加工中切削刀具的快速磨損以及加工表面粗糙度難以滿足實(shí)際加工要求[1]。合理的刀具選擇方案不僅可以提高壓氣機(jī)機(jī)匣零件的加工效率，而且可以保證其加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

自1964年世界上第一個(gè)切削數(shù)據(jù)庫AFMDC誕生以來，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，全世界已建立了30多個(gè)金屬切削數(shù)據(jù)庫，并且在航空零件制造方面的應(yīng)用越來越廣泛。例如針對航空零件典型難加工材料與工藝所建立的切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[2-3]。同時(shí)為了提高切削刀具利用率、降低零件加工成本，人們在切削數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上對刀具選擇方式進(jìn)行了大量研究并開發(fā)了一系列刀具選擇系統(tǒng)。如文獻(xiàn)[4]通過采用規(guī)則推理方式，為多工序車削選擇合適的車削刀片。文獻(xiàn)[5]通過采用計(jì)算相似度的實(shí)例推理方法，實(shí)現(xiàn)了切削刀具的選配。文獻(xiàn)[6]通過實(shí)例推理與規(guī)則推理方式實(shí)現(xiàn)高速銑削刀具的選擇。文獻(xiàn)[7]采用模糊推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)淬硬鋼銑削刀具的選擇等。然而，以往的刀具選擇系統(tǒng)類似于刀具電子手冊，只輸出滿足用戶要求的一系列刀具，并未綜合考慮到零件材料及其零件結(jié)構(gòu)特征對所選刀具的加工性要求，如推薦刀具應(yīng)用時(shí)的耐用度、加工表面粗糙度、金屬去除率等。

此外，影響刀具切削性能的因素很復(fù)雜，而且各因素之間通常還存在著相互作用，因而難以定量地去評價(jià)刀具的切削性能。層次分析法作為一種定量分析和定性分析相結(jié)合的決策方法，可以有效確定各評價(jià)指標(biāo)的重要性及其權(quán)重，通過加權(quán)平均方法建立刀具評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠解決針對壓氣機(jī)機(jī)匣特征的刀具性能綜合評判問題[8]。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有高度非線性擬合能力，能夠解決刀具耐用度、表面粗糙度及其影響因素間的非線性問題，目前已廣泛應(yīng)用于解決刀具耐用度以及表面粗糙度預(yù)測問題[9-10]，該方法可集成于刀具選擇系統(tǒng)，預(yù)測結(jié)果可以作為刀具性能評判的評判指標(biāo)量值指導(dǎo)刀具選擇過程。

為此，本文針對壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削加工特點(diǎn)，對系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，以提高材料去除率、刀具耐用度、加工表面粗糙度為目標(biāo)，在壓氣機(jī)機(jī)匣切削數(shù)據(jù)庫與大量刀具選配規(guī)則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)出了壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括刀具耐用度及加工表面粗糙度預(yù)測和刀具優(yōu)化配置兩個(gè)主要功能模塊，最終通過實(shí)例，對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了驗(yàn)證。

系統(tǒng)需求分析

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)與提高，壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工特征與機(jī)匣零件材料也發(fā)生了很大變化。如圖1所示，其加工過程涵蓋了車、銑、鉆等多種復(fù)雜加工方式，每種加工方式下又包含多種加工特征，因此壓氣機(jī)機(jī)匣零件的制造難度越來越大。壓氣機(jī)機(jī)匣零件不僅設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且多采用鈦合金、鎳基高溫合金等具有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性等特性的難加工材料作為零件材料，以傳統(tǒng)切削加工方式加工這類材料時(shí)，由于刀具與工件之間的相互作用產(chǎn)生嚴(yán)重的工件塑性變形以及刀具、工件接觸區(qū)的強(qiáng)烈摩擦，從而導(dǎo)致刀具的劇烈磨損及表面質(zhì)量難以保證等問題。

通過以上分析，目前壓氣機(jī)機(jī)匣加工面臨的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）加工效率難以保證。

（2）加工表面完整性，特別是加工表面粗糙度難以保證。

（3）切削刀具的刀具耐用度難以保證。

在壓氣機(jī)機(jī)匣零件的切削加工中，選擇合適的切削刀具，不僅能提高加工效率，還能延長刀具的使用壽命，提升刀具加工質(zhì)量穩(wěn)定性。為了解決壓氣機(jī)機(jī)匣零件特征加工過程中刀具選擇問題，同時(shí)滿足所選刀具對材料去除率、刀具耐用度、加工表面粗糙度的要求，亟需開發(fā)出一種以材料去除率、刀具耐用度、加工表面粗糙度為參考的壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)需求，將系統(tǒng)分為3個(gè)功能模塊，模塊對應(yīng)系統(tǒng)需求及技術(shù)指標(biāo)如下：

圖1 機(jī)匣零件加工特征Fig.1 Machining feature of casing parts

（1）刀具耐用度及加工表面粗糙度預(yù)測模塊。

模塊的對應(yīng)系統(tǒng)需求：能夠存儲(chǔ)和充分利用實(shí)際加工數(shù)據(jù)（如刀具耐用度、表面粗糙度）來進(jìn)行加工結(jié)果預(yù)測。

模塊對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)：刀具耐用度、表面粗糙度預(yù)測值與實(shí)際值誤差在10%以內(nèi)。

（2）刀具優(yōu)化配置模塊。

模塊對應(yīng)系統(tǒng)需求：能夠存儲(chǔ)和充分利用壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工中所積累的刀具選擇的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，并且使所選取的刀具滿足實(shí)際加工需求（刀具耐用度、表面粗糙度）。

模塊對應(yīng)技術(shù)指標(biāo)：能夠以不同的刀具選擇策略快速、準(zhǔn)確地輸出滿足用戶需要的切削刀具。

（3）數(shù)據(jù)管理模塊。

模塊對應(yīng)的系統(tǒng)需求：能夠?qū)崿F(xiàn)刀具信息、刀具規(guī)則、預(yù)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息的管理。

模塊對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)：能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢、添加、刪除、修改等操作。

通過需求分析確定壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)應(yīng)包括刀具耐用度及加工表面粗糙度預(yù)測和刀具優(yōu)化配置兩個(gè)功能模塊，以及為功能模塊提供數(shù)據(jù)支持的數(shù)據(jù)管理模塊。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

通常刀具選擇系統(tǒng)只具有刀具的選擇功能，考慮到壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工過程中對刀具耐用度、表面粗糙度和材料去除率的要求，首先對以往切削數(shù)據(jù)以及刀具選擇規(guī)則進(jìn)行采集，以此為基礎(chǔ)建立壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)。為了解決系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及可維護(hù)性，用當(dāng)今軟件普遍采用的層次結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。將系統(tǒng)分為3層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層，如圖2所示，分別介紹如下。

應(yīng)用層即用戶界面層，采用B/S結(jié)構(gòu)來開發(fā)壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)，用戶在任何地方只需根據(jù)管理員分配的用戶名和密碼在客戶端瀏覽器上輸入系統(tǒng)首頁的網(wǎng)址即可完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而應(yīng)用該刀具配置專家系統(tǒng)進(jìn)行刀具的選擇。此外，應(yīng)用層還包括對用戶角色權(quán)限的管理。

邏輯層是系統(tǒng)的核心層，它一方面通過引入MLAPP.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用Matlab引擎，實(shí)現(xiàn)與Matlab的無縫集成，并且從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的預(yù)測功能和刀具選擇推理功能；另一方面，它能通過CLIPS.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)與CLIPS專家系統(tǒng)進(jìn)行鏈接，實(shí)現(xiàn)規(guī)則推理功能[11]。此外，為了保證系統(tǒng)安全性、可控性，執(zhí)行運(yùn)行監(jiān)測、系統(tǒng)幫助以及數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。邏輯層的主要功能包括刀具的選擇、刀具耐用度以及加工表面粗糙度的預(yù)測、刀具性能評判、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、查詢等功能。

數(shù)據(jù)層主要管理基本數(shù)據(jù)、刀具選擇規(guī)則及實(shí)際加工過程中的預(yù)測數(shù)據(jù)并與邏輯層進(jìn)行交互。邏輯層的計(jì)算生成數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)層；數(shù)據(jù)層為邏輯層的運(yùn)算提供基本數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)總體流程

系統(tǒng)主要包括加工結(jié)果預(yù)測及刀具優(yōu)化選擇兩個(gè)功能模塊。首先，由用戶輸入加工條件以及加工信息，依據(jù)規(guī)則庫中相關(guān)的規(guī)則選出滿足加工特征要求的一系列刀具。根據(jù)用戶選擇的相應(yīng)刀具優(yōu)化策略來確定預(yù)測變量。然后，預(yù)測模塊利用最終給定的預(yù)測變量，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，建立預(yù)測數(shù)學(xué)模型，估計(jì)加工性能，例如刀具耐用度、加工表面粗糙度等指標(biāo)。本系統(tǒng)軟件流程如圖3所示，由用戶輸入相應(yīng)的加工信息后開始運(yùn)行。在確定了預(yù)測變量后，預(yù)測模塊開始工作，根據(jù)預(yù)測變量的最終結(jié)果，根據(jù)相應(yīng)的優(yōu)化策略對刀具組中的刀具進(jìn)行優(yōu)化排序，選取最適合該加工特征的刀具。用戶可以選擇3種刀具優(yōu)化策略：最長刀具耐用度、最佳加工表面粗糙度和綜合因素選擇策略。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure of system

圖3 系統(tǒng)流程Fig.3 Flow chart of system

系統(tǒng)關(guān)鍵功能模塊設(shè)計(jì)

1 刀具耐用度及加工表面粗糙度預(yù)測模塊

刀具耐用度及加工表面粗糙度預(yù)測模型的建立是刀具優(yōu)化配置模塊中對所選刀具進(jìn)行優(yōu)化排序的基礎(chǔ)。由于影響壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工刀具耐用度與表面粗糙度的變量很多，歸納起來可以分為4個(gè)方面：刀具材料、工件材料、刀具幾何參數(shù)以及切削參數(shù)。

傳統(tǒng)的通過構(gòu)建數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式的方法實(shí)現(xiàn)加工結(jié)果的預(yù)測功能需要大量的數(shù)據(jù)支持。選用具有高度非線性擬合能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值與閥值以解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度慢、容易陷入局部最小值等問題，即構(gòu)建GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型。根據(jù)用戶輸入的刀具信息，查找預(yù)測數(shù)據(jù)庫中滿足條件的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過MLAPP.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的鏈接，在服務(wù)器端調(diào)用MATLAB中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱及遺傳算法工具箱，對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)刀具耐用度與加工表面粗糙度的預(yù)測功能。此外，通過對實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集，訓(xùn)練數(shù)據(jù)會(huì)更加豐富，從而使得所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型具有更高的擬合度，預(yù)測結(jié)果更加接近生產(chǎn)過程中的真實(shí)值。加工結(jié)果預(yù)測模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

2 刀具優(yōu)化配置模塊

傳統(tǒng)開發(fā)的刀具選擇數(shù)據(jù)庫從根本上只能說是電子手冊，通過這種方式查詢刀具準(zhǔn)確度和效率都很低，基于規(guī)則的推理技術(shù)（Rule-Based Reasoning, RBR）類似于人類的思考方式，具有易推理的優(yōu)點(diǎn)。

其一般形式為：IF 前提 THEN結(jié)論。

通常壓氣機(jī)機(jī)匣加工過程中，首先需要知道機(jī)匣工件材料、機(jī)匣加工特征、加工條件、加工精度等，即為條件，然后根據(jù)以上條件進(jìn)行刀具選擇，即為結(jié)論?？梢酝ㄟ^邏輯運(yùn)算符AND或OR組成的表達(dá)式，將加工信息組合在一起，提高推理效率。例如，在銑削方式下實(shí)心材料孔特征加工中的刀具選擇規(guī)則可以是：

IF 加工特征=實(shí)心材料孔 AND工件材料=TC4 AND 加工條件=良好 AND 加工精度=精加工。

THEN刀具型號(hào)= “CoroMill210”O(jiān)R “CoroMill490”。

在系統(tǒng)中，刀具選擇規(guī)則可以存儲(chǔ)在規(guī)則數(shù)據(jù)庫中，CLIPS專家系統(tǒng)可以作為推理機(jī)進(jìn)行規(guī)則推理，實(shí)現(xiàn)刀具選擇過程。

規(guī)則推理方式能夠選出滿足加工要求的一系列刀具，但并未考慮到用戶對刀具加工性能的需求，包括刀具耐用度、加工表面粗糙度、材料去除率等，因此在刀具選擇系統(tǒng)中加入刀具性能優(yōu)劣分析是必要的。由于機(jī)匣加工中，加工刀具的性能通常受到很多因素的共同影響，無法根據(jù)一個(gè)因素單獨(dú)作為刀具性能優(yōu)劣的評判標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 預(yù)測模塊實(shí)現(xiàn)流程Fig.4 Flow of prediction module

表1 各評判指標(biāo)權(quán)重值

除此之外，壓氣機(jī)機(jī)匣零件在粗加工過程中在保證加工效率的基礎(chǔ)上兼顧刀具耐用度，而對加工表面質(zhì)量要求不高。精加工過程要保證零件的加工質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求的同時(shí)兼顧刀具耐用度，而不考慮材料去除率。因此，在精加工時(shí)著重考慮加工質(zhì)量并兼顧刀具壽命，以加工表面粗糙度和刀具耐用度作為精加工刀具性能的評判指標(biāo)[12]。針對機(jī)匣零件粗、精加工的不同特點(diǎn)采用層次分析法中的10/10～18/2標(biāo)度方法，分別建立粗、精加工壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具評判標(biāo)準(zhǔn)[13]。使用該方法最終確定的各評判指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

根據(jù)以上指標(biāo)權(quán)重，通過加權(quán)平均法建立刀具性能綜合評價(jià)模型。刀具性能評價(jià)值C得計(jì)算公式為：

式中，ω1，ω2為評判指標(biāo)1與評判指標(biāo)2所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；ai，bi為第i把刀具所對應(yīng)的評判指標(biāo)1與評判指標(biāo)2的值。

上式中，對每把刀具評判指標(biāo)值除以第一把刀具所對應(yīng)的評判指標(biāo)值，是為了消除不同評判指標(biāo)間單位差異的影響。

此外，刀具耐用度與金屬去除率值越高，證明刀具對應(yīng)的性能越好，而表面粗糙度值越低，證明刀具加工質(zhì)量性能越好。因此，當(dāng)評判指標(biāo)為加工質(zhì)量（表面粗糙度）時(shí)，以其真實(shí)值的負(fù)值作為評判指標(biāo)的標(biāo)量值。通過上述方法建立刀具性能綜合評判標(biāo)準(zhǔn)。

本系統(tǒng)結(jié)合壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工特點(diǎn)以及實(shí)際生產(chǎn)中對刀具的不同需求，確定3種刀具優(yōu)選策略，包括：

（1）根據(jù)刀具耐用度預(yù)測值進(jìn)行排序。

（2）根據(jù)表面粗糙度預(yù)測值進(jìn)行排序。

（3）根據(jù)綜合評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排序。

根據(jù)用戶選擇的相應(yīng)刀具優(yōu)化策略來確定預(yù)測變量，預(yù)測模塊利用最終給定的預(yù)測變量，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，獲得評價(jià)指標(biāo)預(yù)測值作為評價(jià)指標(biāo)標(biāo)量值，通過計(jì)算對比，進(jìn)而對刀具進(jìn)行優(yōu)化排序。

系統(tǒng)刀具選擇實(shí)例

壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)采用C#作為開發(fā)語言，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server2010，在Windows系統(tǒng)環(huán)境下的Internet瀏覽器上運(yùn)行的為具體系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)例，如圖5所示。

以實(shí)心材料孔加工特征為例，假設(shè)輸入采用以下參數(shù)：

（1）設(shè)置加工信息：包括加工特征基本尺寸，設(shè)置切削時(shí)間為60min、刀具耐用度為30min以及加工表面粗糙度6.3μm，選擇工件材料為TC4鈦合金，設(shè)置機(jī)床夾具和工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性為良好，加工精度選擇精加工。通過以上設(shè)置，系統(tǒng)通過計(jì)算確定加工初始切削參數(shù)及加工要求。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例Fig.5 Application case of system

表2 所選刀具預(yù)測值及綜合評判結(jié)果

（2）設(shè)置刀具優(yōu)化選擇策略：根據(jù)綜合評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排序作為刀具選擇策略。點(diǎn)擊搜索刀具按鈕，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入信息，基于前述刀具優(yōu)化選擇方式，匹配規(guī)則庫中的規(guī)則，輸出滿足要求的刀具，調(diào)用加工結(jié)果預(yù)測模塊，對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)所選優(yōu)化策略進(jìn)行刀具選擇優(yōu)化，其結(jié)果如圖5所示。

按照刀具評價(jià)順序輸出滿足加工要求的刀具包括CoroMill490和CoroMill210兩把刀具，同時(shí)輸出兩把刀具耐用度預(yù)測值分別為：89.40min和41.32min，兩把刀具的加工表面粗糙度Ra預(yù)測值分別為：3.614μm和2.253μm。將預(yù)測數(shù)值帶入公式（1）中，分別對兩把刀具進(jìn)行刀具性能綜合評價(jià)，其結(jié)果如表2所示。

由 于CCoroMill490＜CCoroMill210， 則CoroMill210的綜合切削性能優(yōu)于 CoroMill490，如 圖 5所 示，所選刀具按照綜合評價(jià)策略排序?yàn)镃oroMill210、CoreMill490。通過點(diǎn)擊查看刀具信息鏈接，可以查看刀具的詳細(xì)信息。

結(jié)束語

根據(jù)壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工特點(diǎn)及生產(chǎn)需求分析，在針對壓氣機(jī)機(jī)匣零件所建立的切削數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)機(jī)匣零件切削刀具配置專家系統(tǒng)。

（1）刀具耐用度及加工表面粗糙度預(yù)測模塊能夠通過用戶需求，實(shí)現(xiàn)刀具耐用度及加工表面粗糙度的精準(zhǔn)預(yù)測功能。

（2）刀具優(yōu)化配置模塊能夠通過規(guī)則推理技術(shù)選取刀具庫中滿足加工要求的切削刀具，用戶可以根據(jù)多種刀具優(yōu)選策略對所選刀具進(jìn)行優(yōu)化排序，以滿足加工中對刀具性能的不同需求。

該系統(tǒng)的建立有利于提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、增強(qiáng)壓氣機(jī)機(jī)匣零件加工質(zhì)量穩(wěn)定性及刀具利用率。

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