（机械工程专业论文）耐热合金机械加工切削参数的实验研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 近年来，随着航空工业的大力发展，接触到大量难加工材料，这些难加工材料的机 械加工问题在一定程度上制约了航空企业切削生产技术的提高。虽然国外刀具制造企业 的大量涌入，带来了新的刀具材料及设计理念，使得在机械加工方面原有的落后状态有 了很大的改观，但如何在实际加工难加工材料时选择合理的实用化切削参数，仍然是企 业迫切解决的问题。 切削参数是影响产品加工效率和加工质量的重要因素之一，对于高温合金、钛合金 等难加工材料更是如此。长期以来，切削参数一直以经验型数据为主，受人为因素影响 大，也难以共享。同时，经验型的切削参数积累过程时间长、成本高，在数控设备全面 普及、高速加工数控设备逐步广泛应用的今天，这已经成为制约数控设备应用的环节之 一。因此建立自己的实用化切削参数库是解决问题的关键。 本文结合航空工厂飞机零件数控加工切削参数进行课题的研究，针对飞机零件常用 材料以及典型特征，在数控切削条件下，利用正交试验的方法研究在车削过程中涉及的 有关参数问题，着重论述难加工材料切削参数选用及相似材料近似计算等关键技术。 在此基础上研究切削参数与零件材质、零件自身工艺性、刀具自身材质及刀具参数 之间的关系以及相关参数的计算及选用，通过现场资料、试验资料，同时参考世界和国 内比较权威的资料手册、厂家资料、材料技术文件等上百本文献，对上干组资料进行了 系统地分析，以及使用现场资料对所列4 0 的工件材料、3 0 的刀具材料进行验证，其切 削用量参数与计算值相差不超过1 5 ，给定所需切削参数的近似计算方法和参考资料。 所做的主要工作如下； ( 1 )利用现有条件进行可行性试验； ( 2 ) 记录试验相关数据，同时查阅相关资料，建立正交表，进行数据分析； ( 3 )进行理论计算，得出的数据与实际试验( 或生产中的数据) 进行比较； ( 4 )进行参数优化，得出结论。 通过以上的工作，找到用以提高试验材料加工效率，降低生产成本的切削参数。 关键词：数控加工；正交试验；参数近似计算；切削参数优化 耐热合金机械加工切削参数的实验研究 t h e a p p l i c a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r t oh e a t - r e s i s t a n ta l l o y m a c h i n i n g m e t h o d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h es t r o n gd e v e l o p m e n to fa v i a t i o ni n d u s t r y ，w ec o n t a c tal a r g e n u m b e ro fm a t e r i a l sw h i c hi sd i f f i c u l tt ob em a c h i n e d t h e s em a c h i n i n gp r o b l e m so ft h e m a t e r i a l sr e s t r i c tt h ea e r o n a u t i c sc u t t i n gp r o d u c t i o nt e c h n i q u e st oi m p r o v ei nac e r t a i ne x t e n t 硼1 ei n f l u xo fal a r g en u m b e ro ff o r e i g nc o m p a n i e sw h i c hp r o c e s sc u t t i n gt o o l sb r i n g sn e w t o o lm a t e r i a l sa n dd e s i g ni d e a s ，i tm a k e sg r e a tc h a n g e sc o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a lb e h i n d s t a t ei nt h em a c h i n i n gp r o c e s s b u th o wt os e l e c tt h er e a s o n a b l ep r a c t i c a lc u t t i n gp a r a m e t e r s i nt l l ea c t u a lp r o c e s s i n go ft h o s em a t e r i a l si ss t i l la l lu r g e n tp r o b l e mi nm a c h i n e r yc o m p a n y t h ec u t t i n gp a r a m e t e r si so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y a n dp r o d u c tq u a l i t y s oi ti sf o rh i g h t e m p e r a t u r ea l l o y sa n dt i t a n i u ma l l o y sa n ds oo n f o ra l o n gt i m e ，t h ee m p i r i cd a t e sa r et h em a i n l yp a r to f t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sf a c t o r s ，t h e ya r e e a s i l yt oe f f e c tb ym a i le l e m e n t sa n dd i f f i c u l tt os h a r e a tt h es a m et i m e , t h ec u t t i n g p a r a m e t e r sw h i c ha r ee m p i r i c a lh a v eal o n gt i m et oc o n g e s t a n dah i g hc o s t ，i th a sb e c o m eo n e o ft h ea n n e l i d sw h i c hr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ti nt h ey e a r d u r i n gw h i c ht h ed i g i t a le q u i p m e n ti sp o p u l a ra n d m e1 1 i g h s p e e dc n c m a c h i n i n ge q u i p m e n t i sw i d e l yu s e d t h e r e f o r e ，廿1 ee s t a b l i s h m e n to ft h e i ro w np r a c t i c a lc u t t i n gp a r a m e t e r sl i b r a r y i st h ek e yt or e s o l v et h e s ep r o b l e m s i nt h i sp a p e r ，m es t u d ys u b j e c tc o m b i n e sw i t ha v i a t i o np a r t sc n cm a c h i n i n g p a r a m e t e r s ，a sw e l la st h et y p i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a l s i nn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n i n gc o n d i t i o n s ，i ts t u d i e st h er e l e v a n tp a r a m e t e r si n v o l v e di nt h ep r o c e s so ft u r n i n g w i t ht h eu s eo fo r t h o g o n a lm e t h o d s ，f o c u s i n go nt h es e l e c t i o no ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r so f t h em a t e r i a l st h a ta r ed i f f i c u l tt om a c h i n i n g ，a n dt h ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o no ft h es i m i l a r m a t e r i a l s ，a n do t h e rm a i nt e c h n o l o g i e s o nt h i sb a s i s ，i ts t u d i e st h er e l a t i o nt ot h ec u t t i n gp a r a m e t e r s o fm a t e r i a l sa n dt h e m a t e r i a l so fp a r t s ，t h et e c h n o l o g yo fp a r t s ，t h em a t e r i a l so ft h ek n i v e sa n dt h ep a r a m e t e r so f t h ec u t t i n gt o o l s ，a sw e l la st h ec a l c u l a t ea n dt h es e l e c t i o no ft h ei n t e r r e l a t e dp a r a m e t e r s , t h r o u g hr e f e r e n c i n gt h eo n s i t ed a t a ，t h et e s td a t a ，a tt h es a m e t i m er e f e r e n c i n gt h ew o r l da n d t h ed o m e s t i ca u t h o r i t yi n f o r m a t i o nm a n u a l s ，m a n u f a c t u r e r s ，m a t e r i a l st e c h n o l o g y ，a n do t h e r h u n d r e d so fd o c u m e n t s ，a n a l y z e st h o u s a n d so fg r o u p so fd a t at o t a l l y ，u s i n gt h ei n f o r m a t i o no n i v t h es i t el i s tv e r i f i e s4 0 o ft h ep a r t sm a t e r i a l s ，3 0 o ft h et o o lm 砷e r i a l s ，t l l ed i f f e r e n c e b 咖e e nt h ec u t t i n gp a r a m e t e r sa n dt h e c a l c u l a t i n gi s n o tm o r en l a l l 1 5 ，g i v i n gt h e p a r a m e t e r sr e q u i r e df o rc u t t i n gt h ea p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n d r e f 宅r e n c em a t e r i 羽s t h em a i nw o r k sa sf o l l o w s ： ( 1 ) u s et h ee x i s t i n gc o n d i t i o n st oc a r r yo n a f e a s i b i l i t yt e s t ： ( 2 ) t a k ed o w nt h et e s td a t a s ，r e f e rt or e l e v a n ti n f o r m a t i o na tt 1 1 es 锄et i i l l e ，南u 1 1 d t l l e o r t h o g o n a lt a b l e ，a n da n a l y z et h ed a t a s ； ( 3 ) c 哪也e o r e t i c 啦c a l c u l a t i o n ，c o m p a r et h ed a t a sw i t ht h ea c t u a lt r i a l ( o rp r 0 蛐i o n ： ( 4 ) o p t i m i z et h ep a r a m e t e r s ，r e a ( 血ac o n c l u s i o n t h r o u g ht h ew o r ka b o v e ，i tc a nf i n dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw h i c hc a n i n l p r o v e 也et e s t e f f i c i e n c ya n dr e d u c ep r o d u c t i n gc o s t s k e yw o r d s ：c n cm c h i n i n g ；o r t h o g o n a it e s t ；e a i c u l a tp a r a m e t e r sa p p r o x i m a t e l y ； o p t i m i z et h ec u t t i n gp a r a m e t e r s v 一 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：煎热佥金扭撼拉王翅型叁数鲍塞坠珏究 作者签名： 邀孟垃 日期：邋年监月j 上日 导师签名：望孟勉 日期： 巫蒸年上月且日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盟热佥金狃拯盘王翅削叁数丝塞验盈塞 作者签名：立l 互丝i 一 日期：立盟年也月l l 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出 激烈的市场竞争和尖端国防工业的发展对提高切削生产技术的要求日益迫切，世界 各国都非常重视切削生产技术的研究，都投入了大量的入力物力。切削加工是机械制造 工业的主导加工方法，据专家估计，到世纪末切削加工仍占机械加工量的9 0 以上，因 此提高切削加工的效率和质量仍是机械制造工业的重要课题n 1 。 随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在机械制造中的应用，机械加工的辅助加 工时间大大缩短，切削工时在总工时中的比重更加突出，这对于主要完成切削任务的刀 具设计、选用、制造和管理要求越来越高，难度也越来越大，刀具费用在生产成本的比 重也日趋上升，同时，在加工过程中切削参数的选择及优化对加工效率和质量的影响已 是至关重要。刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容，它不仅影响 数控机床的加工效率，而且直接影响加工质量。c a d c a m 技术的发展，使得在数控加工 中直接利用c a d 的设计资料成为可能，特别是微机与数控机床的联接，使得设计、工艺 规划及编程的整个过程全部在计算机上完成，一般不需要输出专门的工艺文件。 现在许多c a d c a m 软件包都提供自动编程功能，这些软件一般是在编程接口中提示 工艺规划的有关问题，比如刀具选择，加工路径规划，切削用量设定等。编程人员只要 设置了有关的参数就可以自动生成n c 程序，并传输至数控机床完成加工。因此，数控 加工中的刀具选择和切削用量确定是在人机交互状态下完成的，这与普通机床加工形成 鲜明的对比，同时也要求编程人员必须掌握刀具选择和切削用量选择及计算的基本方 法，在编程时充分考虑数控加工的特点，本文对数控编程中必须面对的切削用量确定问 题进行了探讨，给出了基本材料的切削用量选择依据，并对近似材料参数计算进行修正， 给出指导原则乜】。 1 2 切削参数数据库的发展状况、研究背景及意义 工业先进国家早在上世纪七十年代，就先后建立了切削工艺数据库。虽然切削数据 库的建立需要涉及广泛的基础技术工作和大量的切削优化试验，其工作内容复杂，工作 量大，一般需要几年或者更长时间，但各个国家都非常重视这个具有重要意义的基础技 术建设工作。如美国早在1 9 6 4 年就建立了可切削性资料中心，建立了切削加工数据库， 耐热合金$ 1 拗l i 切削参数的实验研究 大大提高了美国切削加工工艺水平；日本近来也已行业建立了切削数据库，其资料量大， 适用性好；而德国建立了大而全的综合性切削数据库。国外航空公司也非常重视切削资 料的优化选用，并借助于数控加工切削用量计算工具、数控加工指导文件等推荐切削资 料，获得良好的综合效益。 目前，国内也已经开发出了多种刀具系统数据库，如多任务集成刀具智能化c a d 系 统、可转位刀片数据库管理系统等，他们都侧重于刀具的管理或者刀具c a d 图形的生成。 成都工具研究所正在研究刀具及切削参数数据库是一个比较全面的数据库，它包括机 床、机床附件、工件材料及刀具材料等信息，但这个数据库是面向普通机床加工的，无 法满足数控加工的需求h 6 1 。 在航空制造领域中，由于飞机结构件复杂、异型度大、加工质量要求高等特点，主 要的加工手段是使用适合加工复杂形面的、效益好的数控机床。我国航空制造企业数 控技术应用水平还不平衡，存在着工艺水平不高，缺乏典型零件加工工艺数控指导文件 和数控切削数据库、刀具图库等问题，使得数控加工的综合效益远没有得到充分发挥。 随着飞机制造业的发展以及企业向外向型发展，必须扩大应用数控技术、充分发挥数控 机床的有效利用率，其中一项有效的措施就是合理选用数控切削参数，因为它是合理使 用数控机床、刀具，获得工件加工精度和表面完整性的有效保证，也是提高生产率。降 低加工成本的重要因素。 在我国，虽然已经制定了切削参数的推荐资料，也出版了相关手册，但是，一方面 这些资料主要是针对一般机械产品的常规加工制定的，不能适应飞机结构件数控加工的 工艺特点；另一方面，随着数控机床技术、刀具新材料的发展，已有切削参数有的已不 再适用，或许要根据当前情况在科学试验、科学计算的基础上，进一步优化改进。目前， 专门供数控加工用的切削数据库系统正在研究发展中，本文仅从机械加工工艺的角度出 发，提出航空零件车削加工切削参数的选择和近似计算。 自第一个切削数据库诞生以来，世界各工业发达国家大都开发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、比利时和匈牙 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。目前切削数 据库中的数据来源于实验室、生产车间及文献，主要应用于车削、铣削、钻削及磨削。 在已建立的切削数据库中，当属c u t d a t a 与i n f o s 最为著名。1 9 6 4 年，美国金属切 削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立了美国空军加工性数据中心( a f m d c ) 。 该中心开发的c u t d a t a 切削数据库，是世界上第一个金属切削数据库，该数据库包含大 量的切削试验数据，并且经过多次更新，比较全面、可靠，可以为3 7 5 0 种以上的工件 大连理工大学专业学位硕士学位论文 材料，2 2 种加工方式及1 2 种刀具材料提供切削参数。德国1 9 7 1 年建立了切削数据情报 中心( i n f o s ) ，该中心存储的材料可加工性信息达二百多万个单数据，成为世界上存储 信息最多、软件系统最完整和数据服务能力最强的切削数据库之一“。 我国建立的切削数据库是从2 0 世纪8 0 年代开始的。目前国内有成都工具研究所i 南京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、上海工业大学、山东大学、哈尔滨 理工大学和天津大学等单位，在切削数据库方面开展了一些研究工作。 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 ，又于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的a t r n 9 0 e 。随后又继续开发并推出了车削数据库软件 c t r n 9 0 v 1 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2 n - r 性材料组切削材料副”的概念，实现了软件的汉语化和 英语化。它在汉化的v a x c 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。1 9 9 1 年推出了c t r n 9 0 v 2 0 ，1 9 9 2 年又 推出了c t r n 9 0 v 3 0 。在上述基础上，1 9 9 8 年开发了在w i n d o w s 环境下运行的数据库软 件。 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的若干问题进行了探讨，许洪昌等对金属切削数据库 又进行了更深一步的研究，近年来，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。1 9 8 8 年，开发了一个专用切削数据库软件系统n a i m d s ，1 9 9 1 年进一步 开发了k b m d b s 切削数据库系统。 北京理工大学建立了一个主要面向硬质合金刀具材料和涂层刀具生产厂家的切削 数据库系统。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。 除了各国均建立自己的切削数据库外，国际学术机构也开展了切削数据库的研究开 发工作，如于1 9 9 5 年成立的国际生产工程学会( c l r p ) 切削加工模型研究小组，从事切 耐热合金机械加工切削参数的实验研究 削加工预报模型的研究，为机械制造业提供切削参数，自1 9 9 8 年开始邀请世界著名研 究机构加盟其切削数据库的研究与建立。 切削数据库的建立带来的经济效益是非常可观的。在c u t d a t a 建库的初期，就为工 业部门节约了1 6 亿美元。i n f o s 可使单件生产时间下降1 0 生产成本下降l o s w s 经3 0 0 多家企业应用，平均每年可节约工时1 5 - - 4 0 。据c i r p 对切削数据库经济效益 的调查表明，切削数据库可使加工成本下降1 0 以上。 切削数据库的建立包括结构设计和应用软件设计。切削数据库结构设计包括切削数 据的采集、处理和评价，切削数据的建立，切削数据的优化，切削数据的输出和信息服 务等功舷根据评价后切削数据的特征可建立离散型切削数据库或浓缩型切削数据| 库。 离散型切削数据库的数据量十分庞大，涉及到切削方式、工件材料、刀具材料及其 几何参数与结构、切削参数、切削液和机床等许多因素，以存储检索的方式管理该类数 据。在数据库概念结构设计中，首先建立切削数据的( 实体一关系) 模型，然后进行逻辑 结构设计和物理结构设计。离散型切削数据库中与切削数据有关的影响因素一般用代码 表示，切削数据库里的关键字由影响切削数据选择的各代码叠加而成。因此，各种切削 方式的关键字是不相同的，必须分别建立其相应的子库，这就是切削数据库的分库技 术。各子库既要考虑它能在总控程序下运行，又要保证它能独立运行，它采用模块式结 构建立。数据库内部各影响因素的表之间应建立参照完整性，父表与子表之间具有约束 关系，对表进行修改( 记录的插入、更新或删除) 时，计算机自动对相应的表进行操作， 免去重复操作和由此可能引起的错误。 浓缩型切削数据库用于存储和管理各种切削数学模型的算式及其系数和指数、产生 这些数学模型的切削加工条件等。 切削数据库的应用管理程序应能满足切削数据的输入、更新、删除、检索和输出等 基本要求。目前，多采用窗口菜单显示技术，同时在程序编制中采用循环嵌套，使系统 具有相当的容错和改错功能。为防止切削数据库系统被其他人员随便检索和修改，保证 数据库的安全性，可对其访问进行控制及用户认证，只有输入正确的用户名及密码才可 拥有数据库的使用权。 1 3 切削数据库存在的问题及发展方向 建立切削数据库的根本目的是为生产实际服务，但己建立的切削数据库及工艺数据 库，付诸实用的还不多，分析其原因是多方面的：企业对切削数据库的重视不够； 数据的信息量还不够多，且尚未解决与c a p p 、c a m 等系统的联接问题；关键的问题是 大连理工大学专业学位硕士学位论文 现有切削数据库本身还存在一些问题，首先是切削数据的可靠性，由于数据的来源较 多，有来自工厂的数据、实验室的数据，还有来自各种手册上的数据，这些数据应经过 严格的分析、处理和评估，否则，其应用效果必然不佳。同时，还有计算机软件的问题， 软件功能的强弱对数据库中数据作用的发挥至关重要。为了进一步促进切削数据库的应 用，切削数据库正在向集成化、智能化、实用化和网络化方向发展。 ( 1 ) 集成化 企业为了方便和准确地查询本企业的制造资源，需要建立制造资源数据库，它一般 包括工艺基本定义和分类、机床设备、刀具、工艺装备、毛坯种类、材料牌号、材料规 格、工艺规则库、工艺简图库、工艺参数库( 切削参数、设备参数、工时定额表) 和典型 工艺库等。切削数据库与c a p p 、c a d c a m 和c i m s 等联机，作为制造数据库的一部分， 为这些自动化制造系统提供合理的切削加工数据，由切削数据中心向加工信息中心乃至 生产信息中心发展，对加工过程中的规律、规则、数据和技术进行采集、评价、存储、 处理及应用。因此，切削数据库对n c 机床、加工中心及c a d 、c a m 、c a p p 、c i m s 等而 言，是基础数据的提供者，是c a m 、c a p p 、g t 等先进技术的基础。没有数据库的支持， 就没有真正的计算机集成制造系统，所以集成化是切削数据库发展的必然趋势。 意大利比萨大学开发的用于选择刀具的c o a t s 系统，实现了与c a p p 系统的联结， 其输入数据来自c a p p 的其他子系统。一些计算机辅助设计与制造软件开发商开发了一 些切削数据库模蜘如u g c a m 中包含了一个功能强大的切削数据库通过数据库的查询， 可以定义工件材料、刀具材料、刀具尺寸参数以及切削方法等，并通过数据库的运算， 获得主轴转速和进给速度的数据。u gc a m 数据库由五个子库组成：工件材料库、刀具材 料库、刀具尺寸参数库、切削方法库和切削速度库。刀具材料分为五类：高速钢、无涂 层整体硬质合金、无涂层可转位硬质合金、涂层可转位硬质合金及涂层高速钢。切削方 法分为四类：立铣、开槽、面铣和侧铣。刀具类型有：立铣刀、面铣刀、t 形铣刀、鼓 形铣刀、u g 5 参数铣刀、u g 7 参数铣刀和u g i o 参数铣刀。工件材料类型有：碳素钢、合 金钢、高速钢、不锈钢、工具钢、铝合金和铜合金。其他c a d c a m 软件，如p r o e 、 m a s t e r c a m 、c i m a t r o n 等，也都开发了各自的切削数据库模块。 ( 2 ) 智能化 传统开发的切削数据库和刀具管理系统所提供的数据，大多只是“静态”的原始数 据，比较具体、确定，从根本上来说，只能算作电子手册，对于生产现场出现的种类繁 多的加工方式、性能干变万化的工件材料和刀具材料，仅靠“静态 数据库往往难以解 耐热合金机械加工切削参数的实验研究 决。目前，切削数据库正朝着智能化方向发屁利用人工智能的方法来建立切削数据库， 使其具有“动态”特性。由于数据库管理系统不能从存储的数据中进行逻辑推理或作启 发性判断，因而存储数据的价值得不到充分发挥，而人工智能的优势却可以解决这一难 题。把人工智能与切削数据库结合起来，可以解决切削数据库中一些难以解决的问题。 智能化是2 0 世纪8 0 年代以来切削数据库研究的重点也是切削数据库今后的发展方向a 智能化就是将切削专家的经验，切削加工的某些一般规则与特殊规律存储在计算机中， 实现运行与决策。很多切削技术及其专家的经验很难用严格的数学模型表达，如果将数 据库与人工智能技术结合，则是解决这类问题的最好方法。 专家系统由知识库、推理机和人机界面三部分组成，其中最关键的部分是知识库和 推理机。c o a t s 系统的知识表示采用了产生式规则。为了避免推理过程中出现多条规则 同时满足的不确定情况，给每条规则赋予一定的权重。刀具参数的选择主要依靠知识库 中的规则及其权重，通过一定的算法运算来得到。c o a t s 系统大约有3 0 0 条规则，用 p r o l o g 语言写成宾夕法尼亚州立大学开发的切削加工参数选择专家系统e s m d s 的推理 方式为正向推理系统的开发语言为f o r t r a n 7 7 。加拿大温莎大学开发了基于零件特征 的机床和刀具选择专家系统，该系统用专家系统开发工具e x s y s 开发，知识表示采用产 生式规则( 共1 2 2 条) ，推理方式为逆向推理。南斯拉夫开发了产生式规则和矩阵方法表 示知识的刀具自动选择专家系统。国家“8 6 3 ”计划资助北京理工大学开发的c i m s 环 境下的切削数据库和专家系统( b y j c - c i m s m d e s ) ，将切削数据库和专家系统服务多种功 能加以集成，把专家系统中知识库的设计与数据库相结合，取得了较好的效果。 专家系统采用规则匹配推理，适于容易找到因果关系的领域，切削加工中的有些现象却 很难用规律性的知识和因果关系来描述，规则匹配推理也需解决规则冲突问题。此终， 还有利用人工神经网络、模糊算法、基因遗传算法等，用于切削数据的计算推理，英国 开发了基于实例推理的智能磨削参数选择系统，山东大学正在开发基于实例推理的刀具 材料与切削参数选择的高速切削数据库。 根据人工智能学说，智能系统的智能越高，系统开发的成本就越大，所以，智能化 切削数据库的开发研究，应充分利用目前智能技术和信息科学等领域已有的科研成果， 综合人与计算机的各自特点，从而开发出新型的智能切削数据库，以满足企业对切削数 据合理使用的要求。 ( 3 ) 实用化 通用切削数据库提供针对不同机床、不同切削方法、不同刀具材料的切削工艺参 数，能够根据不同的加工条件，提供优化的刀具角度、切削速度、进给量等切削用量和 大连理工大学专业学位硕士学位论文 切削液等一系列切削参数。但是，建立通用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。作为一个公司、一个行业范围来说，它用到的刀具、工件材料是 有限的，基本切削数据可以通过资料获得并经实践检验。因此，建立一个公司自己的数 据库是有必要的，并且不会太困难。 许多刀具生产商和研究机构开发了计算机刀具数据管理( t o o ld a t am a n a g e m e n t ， t d m ) 系统，如德国w a l t e r 公司的t d m e a s y 软件，向用户推荐该公司的各类刀具加工不 同工件材料时的切削参数。w a l t e r 公司的t d m 刀具管理软件具有缩短计划时间、使调整 时间和工序间断时间降至最低、减少刀具种类、促进刀具标准化、减少刀具库存，以及 对刀具订货进行控制的功能等。s a n d v i k c o r o m a n t 公司开发的a u t o t a s 刀具管理软件， 有1 1 个集成模块。软件可为该公司提供3 0 0 0 多种刀具的c a d 模型( 几何尺寸、检测、 装配) ，可自动选择该公司样本与电子样本中的刀具使用，提供各种刀具的库存位置、 成本、供应商、切削性能、刀具寿命及要加工工件的信息。a u t o t a s 刀具管理软件还提 供刀具库存管理、购买、统计分析，报表，刀具室计划与质量控制等功能。 k e n n a m e t a l 公司也开发了自己的刀具管理软件k a t m s 与t o o l b o s sd a t o s 计算机公 司推出的刀具供应软件收录有3 0 多种刀具，并提供大量的信息，本身计算出的或获取 的切削数据可以集成在软件内。m a p a l 公司推出的全球刀具管理系统可为用户提供正确 的刀具品种和数量，可为用户建立服务部，负责刀具的重磨、调整、发放等业务，帮助 用户分析、评价加工过程等。g u n t h e r 公司和s e c o 公司的刀具电子样本可帮助用户正确 选择和使用切削刀具。e m u g ef r a n k e n 公司的刀具电子样本可计算和分析加工成本，还 可对多功能刀具( 如钻一铣螺纹刀具) 提供编程指南和g 代码的运行程序。 德国c i m 公司研制了金属切削刀具的电子信息系统( 在c d r 嗍盘上，一般称为 c l m s o u r c e ) ，包括世界1 7 个主要刀具公司生产的l1 5 0 0 0 种以上的刀具数据c i m s o u r c e 系统对刀具用户的服务，包括为刀具用户提供标准化图形、优化控制刀具业务和优化组 织大批或成批的刀具供应。c i m s o u r c e 系统的电子目录可帮助用户了解世界刀具市场推 出的品种繁多的产品，并可获得较深入的信息，以便进一步用来准备具体的加工工艺过 穆刀具供应商采用c i m s o u r c e 系统可保证做到：精确、按时地将刀具提供给用户； 因供应的刀具是以电子产品形式的，故价格最佳；可扩大市场和便于用户进入全球 性贸易网络。 国内许多研究机构和企业对刀具管理系统进行了研究开发，如国家“8 6 3 计划资 助清华大学开发的面向c i m s 的计算机辅助刀具管理系统，济南轻骑发动机厂开发的适 耐热合金机械加工切削参数的实验研究 合自己企业的计算机刀具管理系统等。西北工业大学还开发了1 4 种常用钛合金的车削 数据库。上海工业大学建立了一个适合石油行业的车削数据库。航空工业部进行了航空 金属材料切削数据库的筹建工作。哈尔滨理工大学开发了p c b n 刀具切削数据库。山东 大学正在筹建高速切削数据库和陶瓷刀具切削数据库及模具切削加工数据库。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。上海交通大学建立 了旋转刀具切削数据库。 ( 4 ) 网络化 迅速发展的i n t e r n e t 技术，给切削数据库应用领域带来了新的活力，网络化强调 数据交换和资源共享，将是未来切削数据库技术发展的主要趋势。 目前，世界著名刀具制造公司纷纷开设了自己的网站，通过访问这些网站，用户可 以了解该公司的概貌、目前的生产科研情况、新产品目录、特点、报价和出版物等，有 的还可以提供切削参数，有的可以下载软件，如下载刀具制造的标准程序和刀具选择软 件，以及刀具c a d 图纸等。如g u h r i n g 公司在网上提供免费的刀具管理软件。c i m s o u r c e 也已纳入i n t e r n e t ，并以对话方式工作，将全世界的用户联系起来，不断获取关于切削 刀具的信息。c i m s o u r c e 可帮助解决下列刀具制造和使用问题：切削刀具的选择、切削 加工工艺、提供信息网络内的订单、刀具的图形信息、刀具的生产和刀具的出口数据口 l o 】 o 切削数据库在向着集成化、智能化、实用化和网络化方向发展的同时，一方面需要 进行信息模型、数据模型、开发设计理论与模式等方面的基础性研究；另一方面还应进 行切削数据的标准化工作，切削数据的标准化是切削数据库技术推广应用和稳定发展的 保障。 1 4 论文的主要工作内容和安排 本文结合航空工厂飞机零件数控加工切削参数研究的课题，针对飞机零件常用材料 以及典型特征，在数控切削条件下，研究在车削过程中涉及的有关参数问题，着重论述 难加工材料切削参数选用及近似计算等关键技术。本论文共分六章，内容如下安排： 第一章绪论：讨论切削参数数据库的发展状况、研究背景和意义；切削数据库 存在的问题及发展方向；最后介绍本论文的主要工作内容和安排； 第二章主要问题及解决思路：提出目前企业刀具切削使用方面面临的主要问题： 对问题进行分析：对问题原因进行分类总结。 8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 第三章基本原理：选择切削参数必须考虑的问题；选择切削用量的一般原则； 正交试验法；零件材料及加工特点；给定基本材料参考资料。介绍航空材料主要材质及 特点：介绍最新刀具材质及特点： 第四章试验验证过程：对给定的基本材料进行试验验证：对相似材料参数进行 修正： 第五章论文结论。 耐热合金机械加工切削参数的实验研究 2 主要问题及思路 2 1 面临的主要问题 近年来，随着航空工业的大力发展，接触到大量难加工材料，这些难加工材料的机 械加工问题使得原有刀具材料和型号体系面临前所未有的挑战。国内外刀具制造企业的 大量涌入，带来了新的刀具材料及设计理念，使得在机械加工方面原有的落后状态有了 很大的改观，然而在提高生产效率和改善产品质量的同时，一些问题也逐渐凸现出来， 这些问题包括： ( 1 ) 在试加工中，选取的刀具材料及切削参数不合理，从而在生产效率，表面质 量方面无法满足要求。 ( 2 ) 设备和刀具资源严重浪费，生产成本居高不下。 ( 3 ) 对于国内外通用材料牌号的刀具切削性能无法掌握，无法给定切削参数或给 定的切削参数不合适，无法发挥刀具的最佳性能。 切削参数是加工过程中影响加工效率和加工质量的重要因素之一，对于高温合 金、钛合金等难加工材料更是如此。长期以来，切削参数一直以经验型数据为主，受 人为因素影响大，也难以共享。同时，经验型的切削参数积累过程时间长、成本高， 在数控设备全面普及、高速加工数控设备逐步广泛应用的今天，这已经成为制约数控 设备应用的环节之一【1 2 h4 | 。 2 1 1 常见切削问题分析 表2 1 常见切削问题 t a b 2 1c u t t i n gi s s u e sc o m m o n 问题分类 问题描述可能的产生原因 切削效率切削效率低下 工件质量表面质量不合格 切削速度过低 进给过小 切深过小 走刀次数过多 进给量过大 精加工使用粗加工刀具 切削系统颤振 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 1 2 问题原因分类 表2 2 原因分类 t a b 2 2r e a s o n 问题分类问题描述可能的产生的结果 刀具材质 选择 刀具型号 选择 切削参数 选择 刀具材质与被加工材质不匹配 刀具材质与粗精加工不匹配 刀具结构与被加工材质不匹配 刀片槽形与被加工材质不匹配 刀片槽形与粗精加工不匹配 切削速度过低 刀具磨损严重 刀具断裂 刀具崩齿 零件表面质量不合格 切削效率过低 切削力较大 耐热合金机械加工切削参数的实验研究 进给量过大 进给量过小 切深过小 精加工刀具使用粗加工参数 粗加工刀具使用精加工参数 切削力较大 刀具磨损严重 刀具崩齿 零件表面质量不合格 切削硬化层 刀具磨损严重 切削效率过低 切削硬化层 切削效率过低 刀具磨损严重 刀具崩齿 零件表面质量不合格 刀具磨损严重 不能有效断屑 由以上图标可以看出，切削参数选择不合适，严重影响生产加工效率和零件质量， 是企业面临解决的关键问题。 2 2 解决方法及思路 针对切削参数选择不合适影响生产加工效率和零件质量的现象，着重查找现场资 料、试验资料，同时参考世界和国内比较权威的资料手册、厂家资料、材料技术文件等 上百本文献，对上千组资料进行了系统地分析，以及使用现场资料对所列4 0 的工件材 料、3 0 的刀具材料进行验证，给定所需切削参数的近似计算方法和参考资料。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 难加工材料的加工方式 切削用量三要素对切削力和功率消耗、刀具磨损和刀具耐用度以及产品的加工质量 等有直接影响。切削用量与刀具耐用度是密切相关的，从简单直观概念上分析，似乎是 刀具耐用度越高越好，但实际生产中并非如此。如果把刀具耐用度定的过高，则要求采 用较低的切削用量，生产效率就降低了：若刀具耐磨度定的过低，虽然可采取较高的切 削用量，工件加工工时是缩短了，但换刀与磨刀的工时及费用却明显地增加。所以，要 求切削用量选择地适宜，才能充分发挥机床和刀具地功能和最大限度地挖掘生产潜力。 3 1 切削用量的选择原则 3 1 1 选择切削参数必须考虑的问题 选择切削用量的目的，是要在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，使切削效率最 高。因此，在选择切