（机械制造及其自动化专业论文）陶瓷刀具数据库的研究与建立.pdf

山东大学硕士擘位论文 摘要 陶瓷刀具( c e r a m i ct o o l s ) 材料是世界上近二十年来发展迅速、应用日趋 广泛的刀具材料之一。已受到了广泛的重视。陶瓷刀具具有高的硬度及耐磨性、 摩擦系数低、优良的高温切削性能，非常适合硬态切削、千式切削、高速切削等 先进的加工工艺，尤其在难加工材料的切削加工、自动化生产线等方面发挥了无 可比拟的效能，陶瓷刀具的使用已取得了良好的加工效果和巨大的经济效益。 但是，目前仍然存在许多因素制约着陶瓷刀具的进一步发展与广泛应用没 有相关的陶瓷刀具咨询管理系统，缺乏指导性的资料，也没有一种能迅速掌握陶 瓷刀具各种信息的有效方法，这就给陶瓷刀具开发与使用人员带来了很大的不 便。如何快速查询陶瓷刀具的加工信息( 如：刀具材料的选择、切削用量、刀具 几何参数等) 给陶瓷刀具使用人员提供必要的咨询，以达到最佳的加工质量、有 效提高生产率，促进陶瓷刀具的迅速发展和推广使用，合理利用刀具，节约生产 成本。使陶瓷刀具的信息管理更加科学化，建立陶瓷刀具切削数据库是解决以上 问题的最佳途径之一m 乜嘲 陶瓷刀具切削数据库管理系统是为实现陶瓷刀具各种信息的查询及管理、给 陶瓷刀具开发与使用人员提供必要的咨询而开发的基于w i n d o w sn t 2 0 0 0 环境的 应用软件，研究的主要内容有： 1 陶瓷刀具切削数据的采集、处理和评价； 2 陶瓷刀具切削数据匹配关系的研究： 3 陶瓷刀具切削数据库的设计与建立： 4 其它辅助功能 对切削数据匹配关系的研究，为陶瓷刀具切削用量的选择提供了理论依据。 陶瓷刀具切削数据库的建立，使得用户可以根据加工要求，选择合理的陶瓷刀具 材料和切削加工参数并可计算切削力以及所需要的功率，同时，指导用户可以对 所选刀具的使用情况进行预测。 陶瓷刀具数据库的研究与建立对于正确选择刀具材料与切削用量具有重要 山东大学硕士擘住论文 意义，可使陶瓷刀具的优势等到充分发挥，推动我国陶瓷刀具切削技术的快速发 展与应用。州伽嘲 关键词：陶瓷刀具数据库 v 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t so fc u t t i n gd a t a b a s ef o rc e r a m i c t o o l s c e r a m i ct o o lm a t e r i a l sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y , a n dh a v eb e e na p p l i e di n i n d u s t r yw i d e l y t h ec e r a m i c sh a v eh i g h e rh a r d n e s sa n dl o w e rc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n t h ep e r f o r m a n c eo fc e r a m i ct o o l sa th i g ht e m p e r a t u r ei sv e r yg o o d c e r a m i ct o o l sa r e v e r ys u i t a b l ef o rt h eh a r dc u r i n g ，h i g hs p e e dm a c h i n i n ga n dd r yc u t t i n g f o rd i f f i c u l t t om a c h i n i n gm a t e r i a l s ，a u t o m a t i cp r o d u c d o nl i n e ，c e r a m i ct o o l sh a v ea l r e a d ym a d e t h eg o o dp r o c e s s i n gr e s u l t sa n de n o l l n o u $ e c o n o m i cb e n e f i t s h o w e v e r , t h e r ea r es t i l lf u r t h e rd e v e l o p m e n t sa n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o n st h a ta l o to ff a c t o r sr e s t r i c t e dt h ec e r a m i ct o o l sa tp r e s e n t t h ea c q u i r e m e n to fc e r a m i ct o o l s i n f o r m a t i o ns u c ha st o o ls e l e c t i o n , c u t t i n gp a r a m e t e r s , t o o l sm a t e r i a l 。e t c p r o v i d e e s s e n t i a lc o n s u r a t i o nf o rt h et o o ld e v e l o p e ra n dn s e r t h ec e r a m i ct o o lm a t e r i a l s d a t a b a s ea n di t sm a n a g e m e n ts y s t e mh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi s b a s e do nw i n d o w sn t 2 0 0 0e n v i r o n m e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 d a t ac o l l e c t i o no fc e r a m i ct o o l s ，a n dt h et r e a t m e n ta n da p p r a i s e m e n to ft h e d a t a ； 2 t h em a t c hb e t w e e nc e r a m i ct o o l sa n dt h ew o r kp i e c et ob em a c h i n e d ； 3 d e s i g na n dd e v e l o p m e n t so f c u t t i n gd a t a b a s ef o rc e r a m i ct o o l s ； 4 a u x i l i a r yf u n c t i o n s k e y w o r d s ：c e r a m i ct o o l s d a t a b a s e v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 ， 论文作者签名：量连翌 e t期：2 型：! ：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 越导师签名：童韭盏皿日 期：2 如- f , 丝 山东大学硕士学住论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的及意义 陶瓷刀具材料是世界上近二十年来发展迅速、应用日趋广泛的刀具材料之 一陶瓷刀具之所以引起各国竞相发展的原因有四个：一是作为高速钢、硬质 合金刀具材料的重要元素钨，地球上十分稀缺，据预测现探明的钨资源只够使 用5 0 年；二是由于航空、航天、微电子等高新技术的发展，许多超高温、抗蠕 交、耐高热，高强度的难加工材料需要切削加工，用c b n 或金刚石刀具价格昂 贵，制造成本高；三是新型陶瓷刀具的切削性能得到显著改善，特别是强度、 韧性、抗热震等性能已接近硬质含金刀具的水平；四是机床制造业的进步，数 控机床，加工中心的足够刚性与强度能够满足新型陶瓷刀具的高速，高效切削 因此有学者预言，随着陶瓷刀具的组成结构和压制工艺的不断改进，它的应用 范围将不断扩大，在不久的将来，就有可能继高速钢，硬质含金以后引起切削 加工的第三次革命有人估计，2 0 年后陶瓷刀具占整个刀具市场的比例，可能 增加到1 5 2 0 据美国 6 0 h r c ) ，车削 工序的8 0 使用了陶瓷刀具，每年消耗一万片以上成都量具刃具厂每年有 i 0 0 多万个钻头的毛坯的外圆是用陶瓷刀具加工的 1 2 。2 刀具数据库研究现状 切削数据库是计算机技术与机械加工技术相结合的高技术产物。白2 0 世 纪6 0 年代中期以来，各发达国家开始相继建立金属切削数据库，用它来积累 和储存丰富的金属切削的生产和试验数据而要有效地运用金属切削数据库其 首要任务是建立起完善的刀具信息数据库系统，为切削数据库的运行提供数据 支持 一、刀具数据库国际研究现状 世界上第一个金属切削数据库是1 9 6 4 年美国技术切削联合研究公司和美 国空军材料实验所联合建立的，叫作美国空军加工性数据中心( a f m d c ) 。此后， 各工业发达国家相继发展了各自的金属切削数据库，据不完全统计，迄今已有 德国、美国、瑞典、英国，日本、挪威、比利时、匈牙利等1 2 个国家建立了 3 0 多个金属切削数据库，提供各种形式的信息服务，其中最有名的是德国的 4 山东走擘硕士学位论文 i n f o s ( i n f o r m a t i o n s z e n t r u mf u c rs c h n i t t w e r t e ) 和美国的m d c ( m a c h i n i n g d a t ac e n t e r ) 据报道，美国在建库l o 年期间就为工业部门节省了1 4 亿美 元国际生产工程学会( c i r p ) 曾对切削数据库的经济效益进行了调查统计， 结果表明切削数据库可使工时成本节约1 0 以上，效果十分惊人 国际上最近对切削数据库的研究主要是使原有数据库具有智能化功能， 即在刀具智能选择系统方面，如p g m a r o p o u l o s 等对加工圆柱体工件时的刀 具智能选择系统中的基于知识的模型i t s _ k b s ( k n o w l e d g e b a s e dm o d u l eo f i n t e l l i i g e n tt o o ls e l e c t i o n ) 进行了研究，其主要功能是对车( 镗) 削加工 选择刀具并提供高效率的切削条件它的智能化表现在能够根据金属切削的基 本原理和已有被验证过的数据来预测新的加工条件一般都把数据库分成几个 模块( 子库) ，每个模块存有不同的数据，如机床信息、刀具信息、工件信息、 可加工性信息等，这些模块是相对静态的，而已被验证的数据子库则是动态的， 因为它随时可以更新来加入新的数据 二、刀具数据库国内研究现状 成都工具研究所在1 9 8 7 年建成了我国第一个试验性车削数据库t r n i o 。 并于1 9 8 8 年从当时的联邦德国引进了i n f o s 车削数据库软件( 在国内运行后， 被称为a t r n 9 0 ) ，并加以改进，向国内推出其修订版a t r n 9 0 e ，随后又继续开发， 推出了车削数据库软件c t r n 9 0 v i 0 c t r n 9 0 与原版i n f o s 比较，它改进、扩 展了系统；增强了功能；增添了中国数据；应用了“可加工性材料组一切削材 料副”的概念；并对软件进行了汉化它在汉化的v a x c v m s 操作系统环境中 运行，用户界面为人机对话方式，采用多层菜单驱动软件本身规模约为8 m b ， 带有1 1 个专用子程序库采用了国内的机床，刀具和试验数据，同时也包含 了部分国外数据以后又推出了c t r n 9 0v 2 0 ( 1 9 9 1 年) 、c t r n 9 0v 3 0 ( 1 9 9 2 山东大擘硕士学位论文 年) 1 9 9 8 年在以前基础上，开发出了在w i n d o w s 环境下运行的数据库软件 但成都工具研究所的产品主要是在德国阿亨工业大学i n f o s 车削数据库基础上 汉化、改进得到的，没有增加多少新的功能，例如：没有刀具工件匹配专家系 统，从而不能对新型材料的加工数据进行合理推理“叮 南京航空航天大学是研究金属切削数据库比较早的高校，早在1 9 8 6 年， 南航的张幼桢教授就对建立金属切削数据库进行了探讨，许洪昌教授等对金属 切削数据库又进行了更深一步的研究，近年着重研究切削数据的优化和专家系 统技术在切削数据库中的应用 ， 建造一个大型通用的金属切削数据库是一项巨大的工程，要耗费大量的 人力、物力和资金，因此北京理工大学建立了一个主要面向硬质合金刀具材料 生产厂家的切射数据库系统b i t n c d b s ，数据处理方式采取存储检索方式和数 学模型方式相结合根据切削数据的不同来源和特点，将其分为三大类：即浓 缩型切削数据、离散型切削数据和资料型切削数据。北京理工大学对切削试验 曲线在切削数据库中的存储与绘制进行了研究，并在此基础上实现了刀具磨 损、刀具寿命、断屑和切削力等六种试验曲线的存储和绘制，使金属切削数据 库在功能上不仅能够存储数据，而且也能处理曲线这对于丰富切削数据库的 内容，扩大切削数据库的范围，以及工程数据库的建立都有积极的意义另外， 天津大学与汽车厂家合作，建立了一个针对汽车厂家使用的金属切削数据库 1 3陶瓷刀具数据库的提出 陶瓷刀具作为一种新型高性能刀具材料，在切削加工领域受到广泛重视。 陶瓷刀具具有优良的切削性能，非常适合用于硬态切削、干式切削、高速切削 等先进加工工艺，尤其在难加工材料的切削加工、自动生产线加工等方面具有 其它刀具难以比拟的优势。虽然陶瓷刀具的使用范围正日益拓展，并取得了巨 大的经济效益，但目前还缺少可迅速、方便地提供陶瓷刀具使用指导性资料及 6 山东大学硕士学住论文 相关信息的咨询系统，从而给现场操作人员正确选择和使用陶瓷刀具带来了很 大不便为此，提出了陶瓷刀具数据库管理系统，利用该系统，用户可以对陶 瓷刀具的加工信息( 如切削用量，刀具几何参数等) 进行有效管理和快速查询， 并据此合理选用陶瓷刀具产品，从而可有效提高陶瓷刀具的使用效率，降低生 产成本该系统对陶瓷刀具的合理设计和推广应用也可起到良好的促进作用。 1 3 1 陶瓷刀具数据库要解决的问题 陶瓷刀具数据库主要具有两大功能，一是推荐切削刀具，二是提供优化的 切削参数 一，切削数据推荐 一 将专家及加工企业验证的陶瓷刀具的应用数据和知识以数据库的形式记 录下来，为生产企业提供方便快捷的切削数据的查寻与推荐服务，节约生产时 间与生产成本 二、推理功能 由于陶瓷刀具应用起步晚，目前尚无可直接用于生产的大型通用切削数据 手册，人们可用的只有一少部分常用材料的切削数据。利用人工智能的基于规 则或基于事例的推理技术，可产生一些切削数据，经实验验证后可输入数据库 作为可用数据。 三、分布式结构 高速切削数据库应具有分布式结构，为大型制造企业分散在不同地理位置 的生产和销售部门提供服务 四、网络功能 随着i n t e r n e t 技术和制造技术的发展和进步。敏捷制造，协同制造、远 山东大学硕士学位论文 程制造技术己成为制造技术的重要发展方向切削数据库应具有网络功能，可 通过i n t e r n e t 网查询相应的切削数据，为各种先进制造技术提供基础数据 五、预测功能 刀具切削数据库应具有某些预测功能，如预测工件的加工精度、表面粗糙 度，刀具磨损、使用寿命等同时，这些预测参数也是计算最小加工成本或最 大加工效率的约束条件。 1 3 2 现有基础和条件 一、陶瓷刀具的发展 随着陶瓷刀具材料的迅速发展、陶瓷刀具性能的快速提高，陶瓷刀具正日 益成为高速切削、硬性材料和特种加工的主流刀具 二、计算机技术的支持 现在计算机技术发展一日千里。无论是硬件还是软件都得到迅速的发展和 广泛的应用如c p u 的运算速度和处理能力更新换代快硬盘容量也成倍扩大 各种软件也层出不穷，特别是数据库技术是计算机技术中发展最快、应用最广 泛的技术之一，当前最成熟的关系数据库技术和理论得到长足的发展和广泛有 效的应用 三、人工智能技术的支持 人工智能技术是近四五十年来发展起来的一门前沿科学，近十几年来得到 迅速的发展，在各个领域获得了广泛的应用人工智能技术的分支如专家系统、 基于规则或事例的推理技术，模糊控制技术等。可为建立高速切削数掘库的预 测功能、智能选择功能，推理功能等提供有力的技术支持 山东大擘硕士学住论文 四、课题来源 此项课题的研究得到了国家自然科学基金( 项目号：5 0 3 7 5 0 8 9 ) ，霍英东 教育基金( 项目号：9 1 0 5 4 ) 教育部新世纪优秀人才支持计划和山东省自然科 学基金( 项目号：y 2 0 0 3 f 0 6 ) 的资助 1 3 3 研究方法 采取理论，试验与生产验证相结合的研究方法，具体技术路线如下： 一、调查研究，进行用户分析 首先系统地调查国内汽车、工程机械、机床、模具、航空航天等行业的机 床、刀具、工件材料等在内的切削条件，加以综合分析，摸清陶瓷刀具切削加 工具体情况。准确了解与分析用户需求，为建立陶瓷刀具数据库作好初期准备 同时，获得一些生产现场和文献资料数据，作为数据采集的一部分。 二、车削实验 进行切削实验研究，揭示不同陶瓷刀具材料切削不同工件材料时的物理特 征和规律，建立有关数学模型，采集实验数据。从实验室切削试验中采集的数 据其系统性强，而且可靠性也较好，只是实验室数据都是在“理想”切削条件 下采集获取的，与实际使用时的切削加工条件有一定的差别，故必须在使用时 对其进行适当的修正切削数据的采集，检查、处理和评价是建立陶瓷刀具数 掘库的一项基础性工作 三、建立陶瓷刀具数据库 用s q ls e r v e r 2 0 0 0 建立陶瓷刀具数据库和数据库管理系统，用 p o w e r b u i l d e r8 0 建立应用程序在此期间，借鉴国内外人工智能技术，编码 9 山东大学硕士擘住论文 技术在数据库中的应用，然后，所获得的数据经过优化，专家评价，审核之后 输入数据库中 四、实践验证 与协作单位密切合作，根据加工中心和机床( 主要是数控机床和加工中心 及性能较好的通用机床) 情况，应用所研究开发的陶瓷刀具数据库，进行生产 验证 1 4 小结 陶瓷刀具数据库是推广及合理有效应用陶瓷刀具的重要研究课题之一陶 瓷刀具数据库可为c a d c a m 、c a p p 、设计人员、机床操作者提供各种切削数据、 推荐切削刀具，可大幅度降低加工成本，提高加工效率和质量计算机技术、 数据库技术以及i n t e r n e t 技术的迅速发展，为陶瓷刀具数据库的研究、建立 和推广应用提供了有力的技术支持 1 0 山东大擘硕士学住论文 第二章陶瓷刀具数据库的结构与功能 2 1 概述 陶瓷刀具( c e r a m i ct o o l s ) 材料是世界上近二十年来发展迅速，应用日 趋广泛的刀具材料之一，已受到了广泛的重视陶瓷刀具具有高的硬度及耐磨 性摩擦系数低、优良的高温切削性能，非常适合硬态切削、干式切削、高速切 削等先进的加工工艺，尤其在难加工材料的切削加工，自动化生产线等方面发 挥了无可比拟的效能。陶瓷刀具的使用已取得了良好的加工效果和巨大的经济 效益，但目前还没有相关的咨询管理系统，缺乏指导性的资料，也没有一种能 迅速掌握陶瓷刀具各种信息的有效方法，这就给陶瓷刀具使用人员带来了巨大 的不便如何快速查询陶瓷刀具的加工信息，如切削用量，刀具几何参数，给 技术人员提供必要的咨询，有效提高生产率，促进陶瓷刀具材料的迅速发展和 推广使用，合理利用陶瓷刀具，节约生产成本，使陶瓷刀具的信息管理更加科 学化，本文提出了解决方案 2 2 系统的功能 陶瓷刀具切削数据库管理系统是为实现陶瓷刀具各种信息的查询及管理、 给陶瓷刀具开发与使用人员提供必要的咨询而开发的基于w i n d o w sn t 2 0 0 0 环 境的应用软件为了使用者便于掌握，系统应用软件采用下拉式菜单，窗口提 示，操作方便人机界面友好，并且具有良好的容错性和安全性。如图2 1 所示， 系统具有以下功能模块：“”1 2 2 1 登录系统 由于本系统是网络环境下运行的开放式数据库系统。为保证数据安全，设 置登录密码只有系统管理员才可进行数据的增加与删除；一般用户则只有数 山东大学硕士学位论文 据使用权 块： 图2 1陶瓷刀具数据库管理系统模块功能 2 2 2 应用功能 该模块是程序的核心部分，是对陶瓷刀具数据库的利用包括有三个子模 l ，切削用量查询子模块模拟用户的加工条件给出适用的陶瓷刀具的切 削用量； 2 、刀具寿命分折子模块对给定的刀具与工件副在一定加工条件下的刀 具寿命作出分析； 3 、刀具失效分析子模块对刀具的失效形式和原因作出分析，并给出改 进方案 山东大擘硕士学位论文 2 2 3 数据库维护 该模块对数据库进行浏览、查询、添加、删除、编辑的各项操作，以实现 对数据的采集、管理与优化数据库在m i c r o s o f ts q ls e r v e r 2 0 0 0 建立，比在 其他软件下建立的数据库稳定性好，为以后数据库管理系统运行于网络环境下 奠定基础，并在查询功能中运用了s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ，简称s q l ) 查询技术s q l 查询技术能根据给出的查询条件选取关系型数据库中的一个或 多个表中的记录 2 2 4 报表功能 报表模块完成查询与分析结果的输出具有打印预览、字体字号设置、 纸张设置、打印机设置、打印等功能 2 2 5 帮助系统 帮助模块是用h t m lh e l pw o r k s h o p 语言建立的并编译而成一个可执行程 序，系统应用程序通过s h o w h e l p 0 函数来调用w i n d o w s 系统的w i n h e l p e x e ，从 而打开制作好的帮助文件，本模块也可作为学习软件而独立运行该模块可查 看到有关陶瓷刀具的各种信息，由三个子功能块构成：即系统帮助、刀具信息 选阅、厂家产品系统帮助子模块具有全库解说功能，提供在线帮助，指导用 户完成数据库的操作使用；刀具信息选阅子模块则将陶瓷刀具的发展概况、制 造工艺、切削性能，选用原则等信息集成在一起，为用户提供参考；厂家产品 予模块详细介绍国内外知名刀具厂家的陶瓷刀具产品 2 2 6 其它 为方便用户使用而设簧的一些辅助功能，主要有记事本，计算器、剪粘板、 文件导出入接口等 山东大擘硕士学位论文 2 3 系统的结构要点 由于程序系统模块众多，本文仅以数据采集输入、刀具选用模块为例说 明其技术要点 2 3 1 数据的采集输入 数据来源 i 工厂现场 l 试验室 i 文献资料i j j 彳7 i i 叉寸k 1 离 切削用量库辅助数据库 刀具耐用度数 浓 散 刀具几何角度 工件材料库 缩学模型库 数数 据 库 据切削力数学模 库 刀具材料库 库 切削液库 型库 数据管理 数据优化 切削加工专家系统 切削知识库 推理机 陲荐的切削数据i如识规则推理结果l肚化的切削数据i 结果输出 圈2 2陶瓷刀具数据库结构图“” 切削数据主要来源于工厂的现场生产数据，文献资料上的推荐数据和实 验室采集的数据由于数据比较分散，有时可靠性也较差但数据管理、专家 系统等应用功能却需要统一编码格式的数据对采集的数据进行大量的检查和 1 4 山东大擘硕士擘位论文 评价工作费时费力，因而应建立数据输入的智能检查与评价体系 以刀具材料数据输入的技术实现为例： 在m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 下建立名为c e r a m i c 的数据库，在数据库中 建立名为t 0 0 1 s m a t e r i a l 的刀具材料数据表，为保证数据库的安全性，对其进 行访问控制及用户认证，每次登录均出现登录对话框，只有输入正确的用户名 及密码方可使用数据库，拥有浏览、查询、修改、增加、删除数据的权力 由于国内外陶瓷刀具材料生产厂家众多，既使材料成分完全相同，各厂家 产品牌号也各不相同，因此材料牌号不可作为刀具材料的选用依据我们从陶 瓷刀具切肖0 加工的理论与经验可知，不同的工件材料在所选用的加工刀具，总 是和刀具材料的基体成分、所添加成分、制造工艺等三个主要因素有关因此， 将刀具材料的代码i d 设为： i d = 一xx 一殛x 基丛 序列号，3 位数字 制造工艺代码，l 位字母 添加成分代码，2 位数字 基体成分代码，l 位字母 刀具材料分类代码，陶瓷类c 将刀具材料的代码i d 作为刀具材料数据表的主键( k e yw o r d s ) ，成为按 工件材料选用刀具的依据。为避免人工编码的错误，该字段在数据输入界面由 程序自动生成。 工件材料、刀具几何参数等数掘输入界面也都采用智能生成代码或多媒体 图形界面，使得整个系统人机交互人性化、友好化，操作方便、快捷、灵活， 容错性能良好，特别适于生产企业使用。 2 3 2 陶瓷刀具的选用 山东大学硕士学位论文 切削加工过程是一个十分复杂的物理化学过程并伴随着能量转换影响切 削加工过程的因素很多，包括工序、刀具、工件、机床、夹具、切削液和切削 用量等，如图2 3 所示所以，针对某种工件材料，如何正确选用陶瓷刀具是 一件很不容易的事，建立一个帮助工艺人员合理选择陶瓷刀具材料的专家系统 具有理论和实际的意义 图2 3切削数据的e r 图 刀具选用子模块是一个根据工件材料牌号或类别、工件硬度范围或热处理 状念、加工性质、加工工序，运用拥有的知识和经验选择刀具的专家系统t 结 1 6 山东大学硕士学位论文 构如图2 4 所示该系统是建立在切削数据库基础上的，事实规则、知识规则 的表达使用关系数据库的基表或视图来表达，将数据库语言嵌入到高级语言中 构成推理机制“町 知识获取系统将从专家处获得的经验知识存放到知识库条件数据库、事 实数据库中知识库用来存放事实和基本定义和说明，条件数据库、事实数据 库用来存放规则，临时数据库用来存放用户输入的原始数据、推理过程中加入 的新事实和推理结论。 本系统采用产生式规则来表达经验性的知识规则的一般表示形式如下； i f t h e n 例1 ： i f工件材料是可加工灰铸铁 t h e n 可选用氮化硅或氧化铝系陶瓷刀具 图2 4刀具选用专家系统结 例2 ： i f工件材料是镍基合金 a n d 工序为粗车 1 7 山东大学硕士学位论文 t h e n 可选用s i m o n 陶瓷刀具 由上面的例子，可以总结出规则的语义模型如图2 5 中所示 图2 5规则的语义模 本系统采用正向推理，也就是根据用户输入的原始条件，利用知识库中的 专家知识，按条件一结论策略规则而推导出结论，即选出适用的陶瓷刀具在 规则库中，规则的条件与事实数据库通过k e y - w o r d s 字段建立关联，且只有条 件数据都满足以后，该条规则才成立根据k e y - w o r d s 即可从事实数据库中得 到该条规则的结论。同时，条件与事实库又通过k e y - w o r d s 与知识库建立关联 这样，三个数据库之间建立了紧密的连接关系，通过数据库的搜索、匹配机制， 便能实现推理过程。 2 4 小结： 建立陶瓷刀具数据库是为了给陶瓷刀具开发与使用人员提供必要的咨询， 有效提高生产率，促进陶瓷刀具材料的迅速发展和推广使用，合理利用刀具， 节约生产成本，使陶瓷刀具的信息管理更加科学化，为了方便用户对数据库的 应用，该数据库具有系统登录、应用功能、数据库维护、报表功能、帮助系统 等功能。本章还对陶瓷刀具的数据采集与录入作了介绍 1 8 山东大学硕士学住论文 第三章陶瓷刀具切削加工中的信息处理 3 1 概述 陶瓷刀具切削加工过程中涉及的数据信息非常复杂，在建立陶瓷刀具切削 数据库之前，须对这些数据信息进行研究，确定哪些信息需要处理，以及如何 表示它们。既要保证把尽量多的有用信息收集进来，又要使这些信息的表示及 处理简单明了，易于实现。鉴于目前国内外陶瓷刀具的应用现状，在收集切削 加工数据时，把描述陶瓷刀具切削加工的实体如工件及工件材料、刀具及刀具 材料、加工方法及切削用量、机床、切削液等非常大量的信息全部收集到切削 数据库中来是不必要的，也是不现实的必须要对这些信息进行分析，确定每 个实体和联系在数据库系统中进行处理的有用信息，以保证数据库不致过于庞 大 本章对切削加工过程中涉及的各类实体及其属性以及各实体之间的联系进 行研究分析。 3 2 工件及工件材料 3 2 1工件及其加工信息 1 ) 工件类型：可按工件的不同外型分为轴类、盘类、箱体类、薄壁类及 其它类等五种类型； 2 ) 加工面类型：将工件的加工面分为十种类型，即：平面、阶梯面，曲 面、长槽、外圆、内圆、端面、环型槽、螺纹、孔： 3 ) 工件刚性：工件的刚性分为三个等级，即好、一般、弱； 4 ) 加工方法：加工方法主要有车削、铣削、钻削、镗削、攻丝等； 5 ) 加工要求：加工要求是指对加工的精度、质量要求，分为精加工，半 精加工、粗加工三类。 3 2 2工件材料及其分类代号 可用陶瓷刀具进行切削加工的工件材料种类繁多，而且世界上各个国家关 于工程材料的标准牌号规定都不尽相同。很显然，若对所有牌号的工件材料都 收集相应的切削加工用量是不可能的，因此，需对工件材料进行分类本章采 用如下方法对工件材料分类；“”2 “2 “”1 山东大学硕士学位论文 1 ) 工件材料组别：将工件材料分为六大组，即钢及铸钢、铸铁，不锈钢、 淬火材料、铝合金、耐热合金及钛合金，如表3 1 所示； 表3 1常用亡件材料分组 分组代号分组名称 淬硬材料 铸铁 不锈钢 铝合金铜合金 钢及铸钢 耐热台金及钛合金 2 ) 工件材料类别：将工件材料分为1 5 类，分别是：碳素钢、低合金钢、 高合金钢、超硬钢、铸钢、不锈钢、可锻铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、铁 基耐热合金、镍基耐热合金、钴基耐热合金、钛合金、铝合金、铜及其 合金； 3 ) 工件材料分类代号：每一类工件材料又细分为不同的小类，分别以相应 的分类代号表示工件材料类别及分类代号如表3 2 所示； 表3 2 常用工件材料分类表 组 类别 代号状态成分 别 0 l - 0 1 c ：0 1 o 2 5 0 1 - 0 1 2 l 碳紊钢 p0 1 - 0 2c ：0 2 5 0 5 5 0 1 - 0 3c ：0 5 5 0 8 0 1 - 0 4c ：0 8 低合金钢 0 2 - 0 i非淬火 2 台金元素 p 0 2 - 0 2淬火加回火 5 高合金钢 0 3 - 0 1 3退火 合金元素 p 0 3 - 0 3 5 0 3 - 0 2退火工具钢 4淬硬钢 h0 4 - 0 l淬火+ 回火 5不锈钢m0 5 - 0 l l非淬火铁索体马氏体 0 5 - 0 1 2p h 淬火 锻造 0 5 - 0 1 3淬火 山东大学硕士擘住论文 组 类别代号状态成分 别 0 5 - 1 1 1非淬火铁素体马氏体 0 5 - 1 1 2p h 淬火 铸造 0 5 - 1 1 3淬火 0 5 - 0 2 1非淬火奥氏体 0 5 - 0 2 2p h 淬火 锻造 0 5 - 0 2 3淬火? 无解释 0 5 - 1 2 1无解释 奥氏体 0 5 - 1 2 2p h 淬火 铸造 0 5 1 2 3无解释 0 5 - 0 5 1不可焊0 0 5 c 、锻造奥氏体一铁素体( 双相) 0 5 0 5 2锻造 0 5 - 1 5 l不可焊0 0 5 c 、铸造 奥氏体一铁索体( 双相) 0 5 1 5 2可焊 9 9 1 4 0 6铸造1 3 1 5 5 i 1 4 - 0 7铸造1 6 2 2 si 1 5 - 0 1 游离合金，1 p b 铜及1 5 - 0 2 青铜，铅青铜1 p b 1 5n 铜合金 青铜和不加铅青铜，电解 1 5 0 3 铜 4 ) 工件材料状态： 5 ) 工件材料状态可分为铸造、锻造、轧制、热处理、焊接等五大类，每一 大类可根据需要细分为不同的小类，如热处理状态可细分为淬火、正火、 回火、退火等实际上，材料状态的划分不要求非常严格，可根据需要 增加或删除相应的状态，也可不分大类，小类，而是混合划分重要豹 是每增加或删除一种状态，必须增加或删除这种状态与其它状态的相似 度在c e r a m i c d a t a 中，采用了混合分类的方法，热处理状态再分为淬 火、正火、回火、退火及淬火+ 回火，轧制分为冷轧和热轧； 6 ) 工件材料硬度：工件材料硬度是影响刀具和切削用量选择的重要因素， 一般使用布氏硬度( h b ) 表示，洛氏硬度( h r c ) 可转换为布氏硬度 3 3 陶瓷刀具 3 3 1 刀具分类协1 切削加工中所使用的刀具，按加工方法可分为车刀、铣刀、镗刀、钻头等； 按刀具本身的结构可分为整体式和可转位式两大类。陶瓷刀具多为可转位式刀 具，陶瓷刀片按材料不同可分为氧化铝系、氮化硅系、氮化硅一氧化铝系、其 他陶瓷刀具等四大类；按刀片制造工艺可分为热压陶瓷刀片、冷压陶瓷刀片、 热等静压陶瓷刀片和涂层陶瓷刀片等 3 3 2 陶瓷刀具材料与工件材料的匹配 山东大学硕士学位论文 每一类刀具材料适于切削加工的工件材料不同，不同类别的工件材料可使 用的刀具材料也不同刀具材料与工件材料之间存在着合理匹配的问题对一 种工件材料来说，选择何种类别的刀具材料进行切削加工，主要决定于两者之 间的力学、物理、化学性能参数，此外还受加工表面类型与尺寸、刀具寿命、 加工质量、加工成本等因素的影响。对每一类工件材料，应找出适用的刀具材 料及相应的优先等级，作为选择刀具材料及切削用量的依据。 表3 3各类型陶瓷刀具的适用范围啪1 类别适用范围 用于加工各种铸铁( 灰铸铁、冷硬铸铁、可锻铸铁、球 墨铸铁，高硬度和高强度铸铁) 和各种钢材及合金钢( 碳 钢、高硬钢、合金钢、锰钢、超高强度钢、高镍合金钢、 氧化铝系淬硬钢、不锈钢、氮化钢、表面硬化钢、模具钢、高速 钢、耐热钢) 以及银、紫铜、石墨、硬橡皮、工程塑料， 纤维玻璃等；还可加工镍或锦基合金，钴基和钻基合金、 某螳喷涂材料与钢结硬质合金等。 可加工铸铁、钢和淬硬钢( 6 0 6 4 h r c ) 、冷硬铸铁( 7 l 7 3 h s ) ，高速钢、合金钢( 如c r w m n ) 、钢结硬质含金、 氮化硅系镍基合金、玻璃钢、热解石墨、纯钼、无氧钢、喷涂材 料( 如n i c r b s i 系喷涂层，5 2 6 2 h r c ) 、陶瓷、铝合金 ( 如l d 5 9 5 h b ) 以及超铟瓦合金等。 氮化硅一氧可n i 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、镍基超级合金等， 化铝系常用于高速粗车及铣削。 其z r 0 ：陶瓷用于加工铝合金、铜合金以及硅铝合金等难加工材料。 他 t ib ：陶瓷适合于汽车发动机铝合金件的精密加工 陶瓷刀具材料和其它刀具材料一样，有其特定适用范围，应根据其成分和 性能，按所加工对象及要求，合理选择不同类型和牌号的陶瓷刀具，以充分发 挥其特长氧化铝系、氮化硅系、氮化硅一氧化铝系、其他陶瓷刀具等四大类 陶瓷刀具与工件材料的匹配关系见表3 3 所示： 3 3 3 刀具参数 刀具结构主要包括刀柄部分和刀体部分刀柄部分的参数相对比较简单， 山东失学硕士学位论文 主要是一些连接尺寸，包括主刀柄与机床主轴孔之间、刀体与刀柄系统之间、 主刀柄与中间接杆之间、中间接杆与刀具接柄之间的连接形式、规格、尺寸等 参数。下面以可转位铣刀为例，介绍切削数据库中要处理的刀体部分的参数。 这些参数主要包括刀具类型、订货号、尺寸，几何角度、齿数、最大切削深度、 最高允许转速、刀片形状代号、尺寸、匹配代号，材料类别、牌号等 由于陶瓷刀具的脆性较大，抗拉强度较低，因此陶瓷刀具的几何参数选择 合理与否，会直接影响到刀具的磨损、破损，以及加工表面质量选择几何参 数时，既要考虑到粗加工时刀具的强度；又要考虑到精加工时。在保证刀具有 足够强度的同时满足加工精度和减小表面租糙度的要求一般来说，粗加工以 陶瓷刀具的破损寿命，精加工则以陶瓷刀具的磨损寿命为基础，决定适宜的刀 具几何参数其具体数值应根据具体加工条件来确定住n 陶瓷刀具前角的大小由工件材料的机械性能和工艺条件决定一般选用y _ _ 5 。一1 2 。 后角大小直接影响刀具磨损和刀刃强度一般选用a = 5 0 1 2 0 主偏角的改变会影响f y ，f x 力的变化与工艺系统的振动。一般选取k r = 3 0 。7 5 0 。 刃倾角的大小会影响切削刃强度、实际前角大小及切屑流向。一般取 s = o 。1 0 。 切削刃倒棱对增强陶瓷刀具的刃口强度十分重要，特别当机床一工具一工 件系统刚性不足，容易产生振动和弹性变形时，可采用正前角、较小的负前角 再加上倒棱来解决这一矛盾；加工钢和铸铁时，倒棱宽度常取byi - 0 1 0 2 m m ，y 。- 2 0 0 ，加工高硬材料或断续切削时；则取byi - 0 2 o 3 m m ，y o i - 一2 0 。一3 0 。 刀尖形状对陶瓷刀具的抗破损能力影响极大刀尖有圆弧和直线形状两 种，车刀多用圆弧形状；铣刀可用圆弧，也可用对称折线，后者强度较高用 于连续切削，r 。0 5 m m ：用于断续切削，r = 1 2 2 o m m 或对称双折线。 2 4 山东大学硕士学位论文 l l i 3 4 机床与切削液 为了充分发挥陶瓷刀具材料耐热性好、耐磨性好的优势，克服对冲击和振 动载荷比较敏感的缺点。要求机床具有刚性好、转速高、功率大等特点高速 切削加工数控机床的技术参数、指标是非常复杂的，不同类型的机床，其差别 很大因此，本文采用这样的表示方案：对具有共性的信息，如机床型号、类 别、最高转速、最大功率等，每项信息可用一个单独的属性来表示；主轴形式 与尺寸、最大加工尺寸等，以及那些特有的、非共性的信息，用一个文本型属 性来描述。 切削液能够降低切削温度，提高刀具使用寿命和加工质量。一般将切削液 分为三大类，即水溶液，乳化液和切削油。切削液的选用主要根据工件材料 刀具材料、加工方法和加工要求等确定但陶瓷刀具由于其自身的导热性能较 差，为避免热应力引起刀具破损，陶瓷刀具适用于干式切削，一般不用冷却液 3 5 切削用量 切削用量是切削数据库系统需要处理的最基本也是最重要的数据，主要包 括切削速度v 。、切削深度a 、进给速度l 或每齿进给量f 。( 或每转进给量e ) 及宽径比( 切削宽度a 与刀具直径d 之比) 等切削加工时，影响切削用量的 因素非常多，如机床、工件和刀具的刚性、是否使用切削液、采用的加工方法 和加工要求等。如果把所有影响切削用量的因素都考虑到的话，根本不可能找 到适用于切削用量选择的公式或可供选择的数据集。因此，只考虑影响切削用 量的主要因素，即工件一刀具材料匹配其它因素对切削用量的影响要根据具 体情况由用户按系统提供的经验和算法或用户自己的经验决定切削深度a ，对 刀具寿命、加工质量等的影响相对较轻，且实际选择切削用量时，切削深度a 往往根据不同工序的加工余量确定。所以，切削加工手册的切削用量表中给出 的一般是切削速度v 。随进给速度或每齿进给量f l 变化的一组值 在这种约定下，切削用量可分为三类，第一类是使用某类刀具材料加工某 类工件材料时的切削用量，第二类是使用具体牌号的刀具材科加工某类工件材 料时的切削用量，第三类是使用具体牌号的刀具材料加工某种具体牌号的工件 材料时的切削用量第一类切削用量常出现于各种切削加工手册中，具有较普 遍的指导意义，但不具体：第二类一般是刀具样本提供的数据，实用性非常强； 第三类多来自实验室及文献资料，针对性强，可直接使用我们在切削数据库 山东大学硕士学位论文 中主要收集、处理第二类切削数据，但仍然兼顾第一类数据对第三类切削用 量，把工件材料牌号转换为相应的工件材料类别并进行相应的处理后，转换为 第二类切削用量存储。同时，单独建表存储第三类切削用量，以便用户直接查 询具体牌号的工件材料的切削数据如铣削加工中，上述三类切削用量的表示 形式如下： 。 第一类：( 工件材料类别、刀具材料类别、f z 、v 。) 第二类：( 工件材料类别、硬度、状态、刀具材料牌号、a d 、f ：、v 。) 第三类：( 工件材料牌号、硬度、状态、刀具材料牌号、a d 、厶、v 。) 合理选择切削用量是充分发挥陶瓷刀具性能的关键，也是达到高产、优质、 低消耗的关键。租加工的主要问题是如何提高生产率、降低成本；精加工的主 要问题是保证加工质量；半精加工是既要尽可能有高的生产率和低的成本，又 要使后续工序顺利加工 ( 1 ) 切削深度a 。的选择 为缩短机加工时间，a 。应尽可能大但它受到机床功率和工艺系统刚性的 限制、陶瓷刀具粗加工钢和铸铁时一般取a 。= 2 s m m ，常取a ， 1 5 m m ，精加工 时则取a 。 0 5 m m 。 ( 2 ) 进给量f 的选择 合理选择进给量f 是成功应用陶瓷刀具的关键。进给量的大小受刀片强度、 加工表面租糙度、工艺系统刚性等的限制一般可预选得小一些，通过实践逐 步增加。陶瓷刀具粗加工普通钢和铸