高速切削數(shù)據(jù)庫技術(shù)的研究

1 引言

    金屬切削是零件成型的主要加工手段之一，在機(jī)械制造業(yè)中占有重要地位。近二十年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)及切削刀具制造技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高速切削技術(shù)的理論研究不斷深入，高速切削技術(shù)已在航空、航天、汽車、機(jī)床、模具等制造領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用。高速切削技術(shù)作為一種先進(jìn)的共性制造技術(shù)，已成為切削加工的重要發(fā)展方向。

    高速切削的概念最早由德國的 Carl.J.Salomon博士于1931年提出。二十世紀(jì)六十年代以后(特別是八十年代以來)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家十分重視高速切削技術(shù)的發(fā)展，紛紛投入大量人力及資金，對(duì)高速切削及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。九十年代以來，高速切削技術(shù)的研究進(jìn)人成熟階段，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。一般認(rèn)為，高速切削是指切削速度超過普通切削的5～10倍或機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的切削。實(shí)際上，根據(jù)工件材料、切削加工方式以及刀具材料的不同，高速切削的切削速度范圍會(huì)有相應(yīng)變化。概括地講，具有下列特征的切削加工可稱為高速切削加工：① 切削速度高：車削速度v≥500m/min 銑削速度v≥300m/min，鉆削速度v≥200m/min；②進(jìn)給量大：進(jìn)給速度Vf=20～50m/min或每刃進(jìn)給量fz=1.0～1.5 mm。

    相對(duì)于普通切削而言，采用高速切削技術(shù)可使單位時(shí)間內(nèi)的材料叨除率提高3.5倍或更高，同時(shí)加工成本可降低20%～50%，加工精度和加工表面質(zhì)量可提高1～2級(jí)，這就是世界各國競相研究高速切削技術(shù)的重要原因。此外，應(yīng)用高速切削技術(shù)還可改變對(duì)某些難加工材料的切削加工方式，如直接對(duì)淬硬材料工件進(jìn)行車削或銑削加工，實(shí)現(xiàn)“以切代磨”等。

2 金屬切削數(shù)據(jù)庫的發(fā)展概況

    建立切削數(shù)據(jù)庫、為機(jī)械制造業(yè)提供合理及優(yōu)化的切削數(shù)據(jù)不僅是提高切削加工效率和經(jīng)濟(jì)效益的一種有效措施，而且切削數(shù)據(jù)庫還是發(fā)展各種現(xiàn)代制造技術(shù)(如CNC、CAPP、CAD/CAM、FMS、CIMS等)的重要研究基礎(chǔ)，是這些系統(tǒng)公共制造數(shù)據(jù)庫的重要組成部分。自二十世紀(jì)六十年代中期以來，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開始建立金屬切削數(shù)據(jù)庫，以積累和儲(chǔ)存豐富的金屬切削生產(chǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。世界上第一個(gè)金屬切削數(shù)據(jù)庫是1964年由美國技術(shù)切削聯(lián)合研究公司和美國空軍材料實(shí)驗(yàn)所聯(lián)合建立的，稱為美國空軍加工性數(shù)據(jù)中心 (AFMDC)。此后．各工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開發(fā)了各自的金屬切削數(shù)據(jù)庫，其中比較著名的有前聯(lián)邦德國的INFOS和美國的MDC(可加工性數(shù)據(jù)中心， AFMDC 的后續(xù)版本)。我國自“六五”末期開始金屬切削數(shù)據(jù)庫的研究工作，成都工具研究所、東南大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、夭津大學(xué)、成都科技大學(xué)等單位進(jìn)行了大量研究工作，建立了多種實(shí)用的金屬切削數(shù)據(jù)庫(如成都工具研究所研制的多功能、多用途車削數(shù)據(jù)庫軟件CTRN90V1.0及后續(xù)版本，南京航空航天大學(xué)研制開發(fā)的小型通用切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)NAIMDS等)。

3 高速切削數(shù)據(jù)庫的核心技術(shù)

    金屬切削數(shù)據(jù)庫是在金屬切削理論研究較為成熟、切削加工工藝普遍應(yīng)用、切削參數(shù)極為豐富的條件下，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和先進(jìn)切削加工技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。目前、世界各國雖然建立了許多金屬切削數(shù)據(jù)庫．但尚無適用于高速切削加工的數(shù)據(jù)庫，而建立高速切削數(shù)據(jù)庫對(duì)于推廣和應(yīng)用高速切削加工技術(shù)具有非常重要的意義。高速切削數(shù)據(jù)庫除與普通切削數(shù)據(jù)庫一樣必須具有推薦切削刀具和提供優(yōu)化的切削參數(shù)等基本功能外．還應(yīng)根據(jù)高速切削自身的特點(diǎn)，解決以下功能與結(jié)構(gòu)問題：

    與數(shù)控系統(tǒng)、CAD/CAM 軟件良好的通信與接口：由于高速切削大多采用數(shù)控機(jī)床或加工中心，自動(dòng)化程度很高，因此高速切削數(shù)據(jù)庫必須具有良好的與數(shù)控系統(tǒng)的通信和接口功能，才能充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)勢(shì)。數(shù)控技術(shù)近十幾年來發(fā)展非常迅速，數(shù)控系統(tǒng)已從具有單純的運(yùn)動(dòng)控制功能發(fā)展成為能夠進(jìn)行圖形圖像處理、通信、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N復(fù)雜功能的開放式計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)通信與接口技術(shù)可直接或通過CAD/CAM軟件在高速切削數(shù)據(jù)庫與數(shù)控機(jī)床或加工中心的數(shù)控系統(tǒng)之間進(jìn)行查詢、優(yōu)化、傳輸?shù)纫幌盗袛?shù)據(jù)操作。

    推理功能：由于高速切削技術(shù)起步較晚，目前尚無可直接用于生產(chǎn)的通用高速切削數(shù)據(jù)手冊(cè)．可用的只有一小部分常用材料的切削數(shù)據(jù)。人工智能技術(shù)剛為建立高速切削數(shù)據(jù)庫的推理功能提供了有力幫助，利用人工智能基于規(guī)則或?qū)嵗�的推理技術(shù)、模糊控制技術(shù)等，可根據(jù)現(xiàn)有的成功加工實(shí)例產(chǎn)生新的切削數(shù)據(jù)．直接或經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后輸人數(shù)據(jù)庫作為可用數(shù)據(jù)。

    分布式結(jié)構(gòu)：高速切削數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有分布式結(jié)構(gòu)，以便為大型制造企業(yè)分散在不同地理位置的生產(chǎn)和銷售部門提供服務(wù)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)中發(fā)展最決、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，當(dāng)前最成熟的關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)和理論已得到迅速發(fā)展和廣泛而有效的應(yīng)用，出現(xiàn)了一批基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型、支持Client/Server結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)的商品化的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如Micosoft公司的SQL Server 2000、0racle公司的0racle 8等)．為建立高速切削數(shù)據(jù)庫提供了良好的技術(shù)支持。

    網(wǎng)絡(luò)功能：高速切削數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)功能，以便各相關(guān)用戶通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)查詢相應(yīng)的切削數(shù)據(jù)，為各種先進(jìn)制造技術(shù)提供相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)隨著Intranet/Internet技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，敏捷制造、協(xié)同制造、遠(yuǎn)程制造、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)技術(shù)已成為制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為高速切削數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)功能提供了堅(jiān)實(shí)的應(yīng)用基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支持。

    預(yù)測(cè)功能：高速切削數(shù)據(jù)庫通過利用已有的人工智能技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、有限元分析技術(shù)、統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)及各種切削力模型、切削溫度模型、刀具磨損模型等，應(yīng)具有預(yù)測(cè)某些切削效果的功能，如預(yù)測(cè)工件的加工精度、表面粗糙度以及刀具使用壽命等。

4 高速切削數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)

    高速切削數(shù)據(jù)庫的基本功能如圖1所示。其中，輸入項(xiàng)為用戶根據(jù)自己的需要提出的具體要求，如工件及加工要求項(xiàng)反映工件的材料型號(hào)、加工前后的外形尺寸、公差等要求；輸出項(xiàng)是高速切削數(shù)據(jù)庫對(duì)用戶需求進(jìn)行處理后的輸出結(jié)果，如刀具材料、型號(hào)項(xiàng)是數(shù)據(jù)庫向用戶推薦的刀具材料類型、牌號(hào)等。

    結(jié)合現(xiàn)有金屬切削數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)及計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，我們認(rèn)為，高速切削數(shù)據(jù)庫應(yīng)采用C/S結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有分布式存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的功能以及良好的動(dòng)態(tài)性，且便于擴(kuò)充。同時(shí)，高速切削數(shù)據(jù)庫應(yīng)采用人工智能技術(shù)的成果，具備良好、實(shí)用的推理功能和預(yù)測(cè)功能，為高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用提供有效的輔助工具。

    高速切削數(shù)據(jù)庫的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。高速切削數(shù)據(jù)庫主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)驗(yàn)證系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與通信接口、輸出及用戶等部分組成。

    數(shù)據(jù)庫部分：數(shù)據(jù)庫由切削數(shù)據(jù)、刀其、上件、機(jī)床、工裝夾具、模型、加工實(shí)例、其它數(shù)據(jù)等多個(gè)分庫組成，其中：①切削數(shù)據(jù)；切削參數(shù)庫主要存儲(chǔ)切削速度、切削深度、進(jìn)給量、切削性質(zhì)、類型、切削液等數(shù)據(jù)；②刀具：存儲(chǔ)刀具材料、形狀、型號(hào)、加工用途、生產(chǎn)商等數(shù)據(jù)；③工件：存儲(chǔ)工件材料、牌號(hào)、外形、加工類型、加工性質(zhì)等數(shù)據(jù)；④機(jī)床：存儲(chǔ)機(jī)床型號(hào)、技術(shù)參數(shù)、生產(chǎn)商等數(shù)據(jù)；⑤工裝夾具：存儲(chǔ)工裝及夾具類型、用途等數(shù)據(jù)；⑥模型：存儲(chǔ)切削參數(shù)模型、優(yōu)化模型、系數(shù)模型、切削力模型、刀具耐用度模型等；⑦加工實(shí)例：存儲(chǔ)加工實(shí)例數(shù)據(jù)；⑧ 其它數(shù)據(jù)：存儲(chǔ)用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理等方面的數(shù)據(jù)。

    數(shù)據(jù)源部分：高速切削數(shù)據(jù)庫所用數(shù)據(jù)的來源，包括工廠、實(shí)驗(yàn)室、文獻(xiàn)手冊(cè)提供的切削參數(shù)、機(jī)床、刀具、工裝夾具、材料、模型等數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)驗(yàn)證系統(tǒng)部分：驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫提供或輸人數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

    應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)部分：完成數(shù)據(jù)查詢、錄人、更新、修改、刪除、優(yōu)化、傳輸，實(shí)例推理、加工效果預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)庫管理等應(yīng)用功能。

5 結(jié)語

    研究、建立高速切削數(shù)據(jù)庫是目前機(jī)械制造業(yè)面臨的一個(gè)重大而現(xiàn)實(shí)的課題。高速切削數(shù)據(jù)庫對(duì)高速切削技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義，在高速切削加工時(shí)使用高速切削數(shù)據(jù)庫所推薦的、經(jīng)過優(yōu)化的切削用量，可顯著提高工件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低加工成本，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭能力。對(duì)于整個(gè)金屬切削行業(yè)而言，使用高速切削數(shù)據(jù)庫將會(huì)大大提高全行業(yè)的切削加工水平，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。