基于网络的难加工材料高速切削数据库系统的研究与开发*

刘丽娟 武文革

（中北大学机械工程与自动化学院，山西太原 030051）

1 问题的提出

难加工材料是指难以进行切削加工的材料，即切削加工性差的材料，它们具有高硬度和高强度、高塑性和高韧性、低塑性和高脆性、低导热性、化学性质活泼、有微观的硬质点或硬夹杂物等特性。常用的难加工材料有很多，如钛合金、高温合金、不锈钢、复合材料、高强度钢与越高强度钢、硬脆性材料等，这些难加工材料广泛应用于航空、航天、海洋开发、核电及化学工业等各个领域中。难加工材料使用传统方法进行切削会导致切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度下降，有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制，加工效率和加工质量降低。而采用高速切削加工，切削速度大大提高，可有效减少刀具磨损，提高加工质量。

以高切削速度、高进给速度、大进给量、小切削深度和小切削厚度为基本特征的高速切削技术是21世纪重要的先进制造技术之一，是实现高速、高效和高精度加工的关键因素之一，被广泛应用于航空航天、汽车、模具、能源、轨道交通等众多领域。我国高速、高效切削加工工艺及装备发展和应用起步较晚，与国外差距较大，从整个机械制造业来看，目前仍然是较低速的普通切削加工为主，加工效率普遍较低。

切削加工数据是衡量切削技术水平高低的一个基本量值。目前在高速切削领域中，尤其是难加工材料切削加工数据的来源主要是参考高速切削刀具厂家在刀具样本上推荐的切削数据，以及在实际生产中的切削试验或实践资料来确定。由于国内许多刀具厂家的刀具样本没有系统提供有关难加工材料的切削数据，国外刀具厂家刀具样本提供的一些数据也不完善，而且各厂家对相同的刀具材料提供的数据也不相同，难于选用。随着计算机技术的飞速发展，人们将计算机技术与制造技术相结合开发了切削数据库系统，研究和建立难加工材料的高速切削加工数据库，对促进难加工材料的研究以及高速切削加工的发展和应用具有重要的意义。

针对我国在高速切削加工领域，尤其是难加工材料的高速切削方面起步晚、基础差、企业重视不够等现状，为适应先进制造的要求，满足高速切削加工企业和技术人员的需要，开发出基于网络的高速切削数据库系统，旨在提供一套较为系统的、能在高速切削加工过程中智能地提供具有参考价值的切削用量、所用刀具、切削工艺路径等的数据与资料。

2 难加工材料高速切削数据库系统的结构与功能

本数据库以网络为手段，以数据库为核心，在高速切削生产状态监控系统下，集成切削用量推荐值，刀具选择（包括刀具规划、采购、库存、调整、刃磨、修理、刀具优化和刀具成本控制等内容），故障诊断以及工件与刀具材料的牌号、成分、性能与机床的型号、性能参数等多方面内容，乃至切削实验的曲线图形及回归公式数学模型等数据，以Web的形式供用户查询使用。用户可根据不同的加工材料、不同的进给量、不同的刀具，只需输入基本参数即可获得相应的加工数据，可将此数据用于自动编程系统中，实现与CAD/CAM技术结合，并可通过高速切削动态仿真，明确加工工艺路径。

本系统由5大部分组成，目的是提供一个全面关于高速切削的数据库系统，结构总体框图如图1所示。

（1）切削用量智能选择系统

高速切削加工切削用量的选择是制定机械零件加工工艺中的一个重要方面，合理地选择切削用量，对零件的表面质量、精度、加工效率影响很大。而影响切削用量的因素繁多，影响因素之间相互交叉，相互制约，因而确定最佳切削用量较为困难［3］。切削用量的正确选择在实际加工中很难把握，一般应根据加工性质、加工要求、工件材料及刀具的尺寸和材料性能等方面的具体要求，通过查阅切削手册并结合丰富的实践经验来确定切削用量。本模块即针对在传统加工过程切削用量选择时遇到的问题，利用计算机实现高速切削用量的智能选择。

该模块是系统的主模块之一，分析整理了工厂40多个加工实例，并结合实验数据和切削手册，各类数据的汇总与分类，总结出最优化的高速加工工艺过程。本模块可以实现对不同的加工材料、不同的进给量、不同的刀具进行选择，自动给出高速切削优化工艺和切削用量参数，并提供最优的切削工艺路径。

（2）刀具管理模块

缺乏刀具或刀具库存不在控制之中是当今刀具管理上的一个重大问题，操作人员需要花费很多时间在查找刀具上，尤其在高速切削迅速发展的今天，高速切削刀具库管理并没有得到相应的发展，良好的基于高速切削的刀具管理模块可以减少初期投资、工作人员、库存资金以及采购管理成本。

本模块也是系统的主要模块之一，可对刀具在加工状态中的具体信息加以跟踪和采集，并对采集到的信息进行及时有效的处理。用户可直接管理加工车间、调刀室、刀具库房、维修等刀具流通部门的所有刀具的品种、规格、数量等详细信息，可实现在线刀具选择，可对刀具进行全寿命周期的追踪和管理，可生成刀具成本评估清单和刀具利用情况统计表，优化刀具使用成本及使用频率，降低制造成本。

（3）切削实验数据与图纸库模块

本模块包括两个子模块:切削数据管理子模块与图纸库子模块。

切削数据管理子模块主要汇集了刀具有效直径、刀具有效直径与轮廓斜角的关系、球头铣刀的有效线速度、刀具的主轴转速、进给量等实验数据与经验公式，与切削用量选择模块作连接，实现切削用量选择的智能化。

图纸库子模块主要包括刀具图纸库与用户图纸库两部分。在刀具图纸库中汇总了常用的50多种可用于高速切削的不同类型的刀具，包括刀具的材料、牌号、加工条件、可加工工件等信息，并可根据查询条件，自动给出装配图以及组成刀具的各部分的标准件图与部分非标准件图，提供二维与三维图纸信息。用户图纸库部分储存用户产品的所有二维及三维图纸，如分别用SolidWorks与AutoCAD打开，并可进行参数驱动。应用此模块，可以实现在网络环境下及时灵活地响应客户需求变化的制造模式，实现基于网络的信息交流、资源共享以及协调与合作。

（4）动态仿真模块

本模块可提供应用本系统产生的数据（如切削用量的选择、刀具与机床的选择等）进行动态模拟，连接到仿真软件上进行仿真，校验所选数据的有效性。该模块还收集与整理了数十个实验加工实例，提供了典型加工动画及视频，为有效地说明难加工材料高速切削的优越性提供最直观的效果。

（5）故障诊断模块

该模块可实现在生产过程中对刀具、机床及各种加工设备在线监控，可快速定位故障，并给出解决方法，可对由于刀具的磨损、崩裂或其他异常情况而发生的换刀请求迅速做出反应。该模块汇总了十余台常用的数控机床的数百种常见故障以及相应的排故方法，只要输入故障的代码或现象就可进行查询，快速定位故障点并修复。

3 关键技术

3.1 建立数据库

基于网络的难加工材料高速切削数据库系统的内容主要包括切削用量推荐值，同时还将工件与刀具材料的牌号、成分、性能与机床的型号、性能参数等，乃至切削实验的曲线图形及回归公式（如Taylor公式、切削力经验公式等）、数学模型等均储存在数据库中，用户可根据需要，只需输入基本参数即可获得相应的加工数据，可将此数据用于自动编程系统中，实现与CAD/CAM技术结合，对于提高工厂生产率起到很大的作用。

本系统选用关系型数据库管理系统MS Access作为管理数据库，将来若升级改版此系统，可以将Access直接导入SQLserver中，对本系统进行二次开发。

新建一个名为“HSM”的数据库，包括钛合金加工数据表、高温合金加工数据表、不锈钢加工数据表、高强度钢和超高强度钢加工数据表、复合材料加工数据表、硬脆材料加工数据表、刀具寿命数据表、故障诊断数据表、刀具图纸数据表、刀具选择数据表等，各数据表通过关键字相联系。以刀具选择数据表为例进行说明，该数据表包含以下字段:工件材料、刀具材料分组编号、每齿进给量、铣槽、螺旋/斜坡铣/铣平面、侧铣粗加工、侧铣精加工、仿形铣削粗加工、仿形铣削精加工。为了使各个表之间不产生冗余，把每个表里可能出现的数据字段写在一个表里，表与表之间通过关键字相连。这样，出现冗余的情况就减少，表与表之间的联系也更加紧密。建立动态网页，连接数据库。查询网页中的表单有一个变量名，查询网页和显示网页通过表单传递的变量名联系起来，显示网页通过过滤条件——表单变量，显示最后结果。

3.2 建立动态查询网页

本系统选取WindowsXP作为高速切削查询系统的网络操作系统，采用Windows XP内部集成的Internet Information Server作为Web服务器，以Dreamweaver为开发工具。在静态网页设计方面，采用网页的形式，只要打开浏览器，输入相应的地址就可以查询相应内容了。

在本系统中有大量的数据，仍选取山高刀具的高速切削参数部分进行动态网页设计。建立动态查询网页inquire.asp，与“根据每齿进给量确定高速铣削参数”链接。建立动态显示网页show.asp，该网页的功能是在inquire.asp发出查询命令后执行显示的网页。查询网页中的表单有一个变量名，查询网页和显示网页通过表单传递的变量名联系起来，显示网页通过过滤条件——表单变量，显示最后结果。

4 基于Web高速切削数据库系统的实现

由于该数据库系统内容较多，不能一一介绍，这里仅对系统的核心模块——高速切削加工切削用量的选择模块进行分析。

利用本系统，用户可以实现根据不同材料、每齿进给量来确定高速切削的参数等，如图2所示;可以根据用户要求对刀柄、刀杆、刀头、夹头以及刀具材料等的选择，并进行自动装配，如图3所示;可以分别以Auto-CAD或SolidWorks打开图纸库系统，进行产品及刀具的二维图与三维图的查看与修改，如图4所示。

5 结语

本系统以Web为手段，结合数据库技术，以实现高速切削信息的精确检索和管理为目标，建立了基于网络的难加工材料高速切数据库系统，使用本系统可为难加工材料高速切削生产全生命周期中对于切削用量的选择、刀具的管理、图纸库的调用以及故障诊断等方面提供有益的参考和指导作用。

系统在实际应用中性能稳定，平台先进，维护方便，操作简单，打印方便，运行稳定，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］张伯霖，范梦吾，李志英.模具制造中的高速加工技术［J］.制造技术与机床，2003（5）:8－11.

［3］王亮德，赵军，郭胜光.耳机模具的高速数控加工［J］.现代制造工程，2004（9）:18 －19.

［4］尹洋.网络环境中金属切削数据库系统的开发［J］.工具技术，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.