高速切削工藝數(shù)據(jù)庫的研究開發(fā)

    高速切削加工(High Speed Machining，簡寫HSM)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)之一，具有切削效率高、工件承受的切削力小和切削熱低、切削強(qiáng)迫振動小、加工質(zhì)量高等突出優(yōu)點(diǎn)。它切削速度、進(jìn)給速度、進(jìn)給加速度提高到普通速度切削加工的5至10倍，機(jī)床、刀具、切削工藝技術(shù)數(shù)據(jù)大不相同。由于國內(nèi)工件材料的牌號性能有別于國外情況，不能夠完全照搬國外的HSM工藝技術(shù)數(shù)據(jù)。為了充分發(fā)揮昂貴的進(jìn)口HSM設(shè)備的效用，盡可能延長刀具壽命，迫切需要研究開發(fā)適合國情的HSM工藝數(shù)據(jù)庫，盡快為國內(nèi)企業(yè)提供實(shí)用的參考工具。以下介紹通過開展國際產(chǎn)學(xué)研合作研究開發(fā)的高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

　　1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能與基本結(jié)構(gòu)

        數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能是提供工藝技術(shù)數(shù)據(jù)查詢信息，供用戶實(shí)際HSM參考高速銑削加工占HSM應(yīng)用的80%，因此數(shù)據(jù)庫當(dāng)前僅收錄到銑削工藝技術(shù)數(shù)據(jù)。

        如圖1所示，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包含軟件和工藝技術(shù)數(shù)據(jù)兩大部分。

        軟件設(shè)計(jì)采用當(dāng)前主流的樹狀結(jié)構(gòu)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，與層次數(shù)據(jù)或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型相比較．它數(shù)學(xué)基礎(chǔ)明晰，管理功能強(qiáng)，可操作性好。軟件由后臺數(shù)據(jù)庫和用戶操作界面兩大部分構(gòu)成。前者為各種表格，用于載入對應(yīng)的工藝技術(shù)數(shù)據(jù)，包括工件的幾何圖形信息，后者是介于前者和用戶之間的一組人機(jī)對話圖框。

        軟件的后臺數(shù)據(jù)庫部分在關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server2000平臺上制作開發(fā)，便于修改補(bǔ)充，能夠擴(kuò)展為專家系統(tǒng)．而且支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查詢數(shù)據(jù)信息。用戶操作界面選用VB6.0 編程語言編制開發(fā)，能夠完全支持結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL ，并且便于人機(jī)對話操作使用。

         用戶操作界面通過微軟開發(fā)的開放式數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)接口，與后臺數(shù)據(jù)庫發(fā)生聯(lián)系。ODBC根據(jù)SQL規(guī)則設(shè)計(jì)，可用作各種微軟編程語言與所有接受SQL規(guī)則的數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺之間的通用接口。

         HSM工藝技術(shù)數(shù)據(jù)一部分通過在我院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)切削積累，另一部分由參加國際合作項(xiàng)目的中方合作企業(yè)提供，是它們多年生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)晶。

         2 軟件的后臺數(shù)據(jù)庫

        按照為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)規(guī)定的功能，它需要收錄HSM切削實(shí)例的工件材料、刀具、切削工藝及其它數(shù)據(jù)信息備查。相應(yīng)地在后臺數(shù)據(jù)庫中需要建立工件材料、刀具、工藝及工藝圖片等表格，來存儲這些信息，如圖2所示。

　　圖2 數(shù)據(jù)信息表格邏輯結(jié)構(gòu)

　　其中，被加工工件材料對HSM工藝具有全局性影響；工件材料一旦發(fā)生變化，所用刀具材料、切削工藝參數(shù)等都可能要隨之變化。所以確定數(shù)據(jù)庫表格間的邏輯關(guān)系時(shí)，是以工件材料表格為先導(dǎo)，由它引出工藝表格，其中包含刀具材料和牌號欄目；經(jīng)由它們，再進(jìn)一步引出刀具詳細(xì)的信息數(shù)據(jù)。

         考慮到工件的幾何形狀與尺寸對HSM工藝也有很大影響，在后臺數(shù)據(jù)庫中又設(shè)立了工藝圖片表格，來表明切削實(shí)例對應(yīng)的工件幾何信息，使全部數(shù)據(jù)信息更具有參考價(jià)值。工藝圖片表格也隸屬于工藝表格之下。

          為確切說明和界定被加工工件材料，除了要知道其名稱和牌號作為基本標(biāo)識，還要給定其硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、沖擊值、熱膨脹系數(shù)、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)值；它們的大小，通過影響切削力和切削熱，會對HSM工藝產(chǎn)生很大影響。據(jù)此，工件材料表格中設(shè)立了各相應(yīng)欄目。

          根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)．確定工件材料后，選取不同的刀具材料與牌號，又會決定性地影響到切削參數(shù)和其它工藝條件的設(shè)定。所以，刀具材料與牌號欄目排列在工藝表格的開頭。考慮到刀具的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)性能信息很多、很重要，而且反過來會受到工件幾何與加工工藝的制約，邏輯上不宜與工藝數(shù)據(jù)信息并列，在后臺數(shù)據(jù)庫中就單獨(dú)設(shè)立了刀具表格，隸屬于工藝表格之下。

        工藝表格中第二序列的欄目內(nèi)容，是實(shí)際操作HSM數(shù)控銑床時(shí)，需要直接設(shè)定調(diào)整的切削參數(shù)，即主軸轉(zhuǎn)速，軸向切削深度，進(jìn)給速度，徑向切削深度也即走刀行距。由于切削速度是HSM的代表性工藝參數(shù)，銑刀每齒進(jìn)給量也是重要的切削參數(shù)，在工藝表格中增設(shè)了對應(yīng)欄目，由后臺數(shù)據(jù)庫把它們折算出來一并顯示和提供參考。除此之外，還設(shè)立有說明冷卻潤滑等其它工藝條件的欄目。

        HSM主要用于鋼鐵及難切削材料的半梢和梢加工，以及易切削材料如鋁、銅、工程塑料、石墨的全部粗、精加工。為了兼顧工藝多樣性，后臺數(shù)據(jù)庫的工藝表格按照粗加工和精加工分類，在后者當(dāng)中增添有加工精度和表面粗糙度兩個(gè)欄目。

        工藝表格中最后一欄是工藝圖片號，用于異引出工藝圖片表格，把工藝技術(shù)參數(shù)同被加工工件幾何信息聯(lián)系起來。在工藝圖片表格中，只有工藝圖片號和工藝圖片兩個(gè)欄目。前者與工藝表格呼應(yīng)鏈接，后者指向放置工藝圖片的物理地址，當(dāng)用戶調(diào)用時(shí)圖片才顯示出來。

         在刀具表格中，前兩個(gè)欄目是刀具材料與牌號．同樣與工藝表格呼應(yīng)鏈接。然后，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)立了刀具名稱、幾何與物理參數(shù)、使用限制參數(shù)、構(gòu)成情況以及制造供應(yīng)廠商方面的共十多個(gè)欄目，今后還可以隨時(shí)增減。

圖3 SQL Server2000平臺下的材料表格

　　為提高檢索效率、減少數(shù)據(jù)信息總量，在圖2的每一張表格當(dāng)中，僅載入一個(gè)HSM切削實(shí)例與表格名稱對應(yīng)的那部分?jǐn)?shù)據(jù)信息而構(gòu)成一條記錄。也就是說，一個(gè)HSM實(shí)例的全都數(shù)據(jù)信息被分別存儲在4張表格中．共占用4條記錄，粗、精加工只能夠任選其一。通過在每一張表格中設(shè)立主鍵，即圖2中帶有鑰匙標(biāo)志的欄目，其內(nèi)容既不可重復(fù)也不能空缺，未知時(shí)必須注明，如圖3所示，并通過設(shè)立查詢索引，即在某兩張表格中出現(xiàn)相同的欄目，可以使工件材料、工藝圖片和刀具表格中的一條數(shù)據(jù)信息記錄，與工藝表格中的多條記錄鏈接。這樣，就避免了前3張表格中的記錄發(fā)生重復(fù)，可以相應(yīng)減少數(shù)量．在將來數(shù)據(jù)信息總量很大時(shí)有重要意義作用。另一方面，又保證工藝表格中的每一條記錄都與另外3張表格中的各一條記錄鏈接為一個(gè)整體，能夠防止出現(xiàn)冗余的數(shù)據(jù)信息。

圖4 數(shù)據(jù)庫軟件運(yùn)行流程

　　3 軟件的用戶操作界面

        軟件可視化的用戶操作界面，有主界面、用戶查詢界面和管理界面之分。它們在人機(jī)對話操作運(yùn)行軟件程序中的作用如圖4所示。各界面上設(shè)有微軟軟件中通行的下拉式菜單或者鼠標(biāo)按鈕，提供用戶點(diǎn)擊選擇，便于操作使用。

        啟動數(shù)據(jù)庫軟件后，用戶首先來到主界面，可以看到參與研究開發(fā)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的單位名稱，并通過鼠標(biāo)按鈕分別進(jìn)人查詢界面或管理界面。用戶結(jié)束工作需要退出程序，在正常情況下也經(jīng)由主界面

        用戶進(jìn)入查詢界面后，首先需要選擇或輸入工件材料名稱．鼠標(biāo)或鍵盤動作通過ODBC接口向后臺數(shù)據(jù)庫的材料表格自動檢索出與此材料名稱相符的全部信息記錄，并通過ODBC接口返回它們顯示在查詢界面上。接著，需要點(diǎn)擊選擇其中的某個(gè)材料牌號并選擇粗加工或精加工，通過查詢界面與后臺數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系與互動，會在查詢界面上顯示檢索到的工藝信息記錄，或者提示沒有相應(yīng)記錄。此時(shí)，需要改選為精加工或粗加工。對于前一種情況，需要繼續(xù)點(diǎn)擊選擇其中的刀其牌號或工藝圖片號，依次完成檢索刀具信息和工藝圖片信息的操作。工藝圖片還可以放大觀看。圖5顯示用戶查詢界面。

        在以上過程中，可以隨時(shí)中斷當(dāng)前操作而返回以前任意信息的檢索，例如放棄最后的刀具信息檢索直接回到選擇或輸人下件材料名稱從頭開始。一旦檢索到需要的數(shù)據(jù)信息，可以通過點(diǎn)擊查詢界面左上角的按鈕進(jìn)人信息輸出界面，把它們以屏幕顯示式樣打印出來，或者以微軟辦公文檔圖象書寫(.mdi)、網(wǎng)頁(html)、文本(txt)等多種文件格式導(dǎo)出。數(shù)據(jù)信息也可以在UNIX操作系統(tǒng)下，或者在機(jī)床CNC數(shù)控系統(tǒng)中被調(diào)用查看。

       為了便于改動工藝技術(shù)數(shù)據(jù)和維護(hù)系統(tǒng)，軟件增設(shè)了管理界面。鍵入密碼進(jìn)入管理界而后，可以直接在軟件程序運(yùn)行狀態(tài)下添加、更新甚至刪除數(shù)據(jù)信息，而不一定要結(jié)束程序運(yùn)行進(jìn)入SQL Server2000平臺去完成操作。

圖5 用戶查詢界面

　　4 工藝技術(shù)數(shù)據(jù)的積累

         數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)HSM工藝技術(shù)數(shù)據(jù)，目前涉及鋁合金、銅合金、鋼、鑄鐵和紙基蜂窩芯等種類的工件材料。銑刀材料主要有硬質(zhì)合金和金剛石兩類。其中，某汽車發(fā)動機(jī)廠等用金剛石銑刀盤以超過3900m/min的線速度高速銑削鑄造鋁合金工件，不僅加工質(zhì)量和效率高，而且刀具壽命長，取得了良好經(jīng)濟(jì)效果。又如在實(shí)驗(yàn)室，用TiAlN涂層硬質(zhì)合金銑刀高速硬銑削硬度為52HRC的淬硬鋼模具，線速度超過200m/min，表面粗糙度達(dá)到Ra0.33?m ，并且加工時(shí)間省。在這些HSM切削實(shí)例中，相應(yīng)地機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)15,000至28,000r/min。另一個(gè)有代表性的切削數(shù)據(jù)即進(jìn)給速度，在許多加工實(shí)例中達(dá)到了6至8m/min。

        就工件的幾何形狀而言，加工實(shí)例中有多筋薄壁整體結(jié)構(gòu)件，其材料切除率高達(dá)80%以上，需要努力控制加工變形和提高效率，而銑削紙基蜂窩芯試件更需要使用特殊夾具和銑刀。此外，實(shí)例中還有復(fù)雜三維自由曲面，需要通過四軸乃至五軸聯(lián)動數(shù)控銑削方能夠加工成形

    　HSM工藝技術(shù)數(shù)據(jù)今后的不斷積累，仍將從這兩方面著手進(jìn)行。

        5 展望

        以上高速切削工藝數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)已提交參加國際合作項(xiàng)目的中方合作企業(yè)試用。通過廣泛聽取意見，準(zhǔn)備在國家、地方政府和國內(nèi)企業(yè)的進(jìn)一步支持與合作努力下，將其擴(kuò)展為可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問的高速切削工藝專家系統(tǒng)。