（机械制造及其自动化专业论文）大型筒节切削参数优选数据库系统的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 大型筒节切削参数优选数据库系统的研究 摘要 随着现代技术的飞速发展，大型筒节作为国家重大技术装备和重大工程建设 的重要零部件，需求量不断增大且趋于大型化。筒节件体积庞大，表面状态恶 劣，切肖i 参数是中小型机床的几倍甚至十几倍；切削温度高达近1 0 0 0 ，刀具 粘结破损严重，加工效率非常低，严重影响经济效益和社会效益。如何实现经 济、高效的切削加工一直是大型筒节加工行业不断研究和探索的课题。应用计算 机技术开发金属切削数据库可以高效快速地提供切削加工所需的合理的切削参 数，提高机械产品的加工质量和生产效率，增强企业的竞争能力。 本文主要从以下几个方面做了研究与分析： 针对大型筒节件切削加工的特点，建立大型筒节件重型切削参数优选系统的 数据库，采用v i s u a lc + + 6 0 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 作为编程工具，利用面向对象程 序设计方法，实现刀具、机床、工件等切削参数信息的实时查询和管理。 切削数据库提供的数据多为凭经验或利用现有手册查取得到，仅仅是可行数 据，难以保证是最优数据，所以对于大型筒节加工来说，仅仅建立切削数据库系 统是远远4 够的。针对这种情况，本文建立大型筒节件重型切削参数优选系统的 知识库，主要包括实例库、优选参数库、事实性知识库、规则库等，为优选切削 参数提供基础。并研究与分析一种基于知谚 的交互式嘲格寻优算法，实现对机 床、7 j 具、切削三要素的优化选择，优选结果与实验数据相符。本文还存储了切 削加工过程巾收集到的相关图片、多媒体视频与相应的参考文献等信息，伎数据 库r f l 的数据史加全面丰富。 最后建立大型筒节件重型切削参数优选数据库系统的模型，并对各个功能模 块进行详细分析研究，给出实现过程与结果，为实际切削加工提供符合加工要求 的最优切削参数，指导具体的加：【：过程，并且能够在一定程度上提高氽业的舰范 生产管理水平。 关键词切削数据库；大型筒节；网格优选；参数优化 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 s t u d yo nc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n d a t a b a s es y s t e mo fl a r g e c y l i n d e r s e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y ，t h el a r g ec y l i n d e rs e c t i o nt e n d s t ob el a r g e s c a l ea n dt h ed e m a n di si n c r e a s i n g ，a sn a t i o n a li m p o r t a n tt e c h n i q u e e q u i p m e n ta n dp a n so fm a j o rc o n s t r u c t i o np r o j e c t s t h ec y l i n d e rs e c t i o nc o m p o n e n t s i sh u g ei ns i z e ，a n dt h es u r f a c es t a t ei sp o o r ，t h ec u t t i n gp a r a m e t e r si sm u c hm o r e t h a nm i d d l ea n ds m a l lm a c h i n e ；t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei su pt o10 0 0 。c ，w h i c hc a u s e c u t t i n gt o o lb o n d e da n ds e r i o u s l yd a m a g e d ，l o wp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y a n ds e r i o u s d a m a g et oe c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s h o wt oa c h i e v ec u t t i n ge c o n o m i c a l l ya n d e f f i c i e n t l yi st h ec o n t i n u a lr e s e a r c h i n ga n de x p l o r i n gs u b j e c to fl a r g ec y l i n d e rs e c t i o n p r o c e s s i n gi n d u s t r y t h e m e t a lc u t t i n gd a t a b a s ed e v e l o p e db yu s i n gc o m p u t e r t e c h n o l o g y , c a np r o v i d er e a s o n a b l ec u t t i n gp a r a m e t e r sf o rc u t t i n gp r o c e s sq u i c k l y a n de f f i c i e n t l y t h ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fm e c h a n i c a l p r o d u c t sc a nb ei m p r o v e dm e a n w h i l et h ec o m p e t i t i v e n e s se n h a n c e d t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n da n a l y z e sf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： a c c o r d i n g t ot h e c u t t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e - s c a l e c y l i n d e rs e c t i o n ，t h e d a t a b a s es y s t e mo fh e a v yc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni sb u i l t ，u s i n gv i s u a l c + + 6 0a n ds q ls e r v e r 2 0 0 0a sp r o g r a m m i n gt 0 0 1 b a s e do no b j e c t o r i e n t e dd e s i g n m e t h o d s ，t h eq u e r ya n dm a n a g eo fc u t t i n gp a r a m e t e r ss u c ha st o o l s ，m a c h i n et o o l s a n dt h ew o r kp i e c e sa n ds oo nc a nb ei m p l e m e n t e di nr e a lt i m e t h ed a t ap r o v i d e db yc u t t i n gd a t a b a s em o s t l yc o m ef r o me x p e r i e n c eo rt h e e x i s t i n gm a n u a lw h i c ha r eo n l yf e a s i b l en o tt h eb e s td a t a ，s oo n l ye s t a b l i s h i n gt h e c u t t i n gd a t a b a s ei sn o te n o u g hf o rl a r g e s c a l ec y l i n d e rs e c t i o np r o c e s s i n g a c c o r d i n g t ot h a t ，t h ed a t a b a s eo fh e a v yc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ns y s t e mi sb u i l ti nt h i s p a p e rt op r o v i d et h eb a s i sf o rc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，i n c l u d i n gc a s el i b r a r y , o p t i m i z a t i o np a r a m e t e rd a t a b a s e ，a n df a c t u a lk n o w l e d g e b a s ea n ds oo n t h er e s e a r c h i i 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 a n da n a l y s i so fi n t e r a c t i v eg r i do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nk n o w l e d g ei sa l s o m a d et oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o no ft h r e ee l e m e n t ss u c ha sm a c h i n e t o o l ，c u t t i n gt o o l ， a n d c u t t i n g ，t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l ti s c o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h i s p a p e r a l s o s t o r e dt h er e l e v a n t i m a g e s ，m u l t i m e d i av i d e o ，t h ec o r r e s p o n d i n g r e f e r e n c e sa n do t h e ri n f o r m a t i o n ，s ot h a tt h ed a t a b a s eb e c a m em o r ec o m p r e h e n s i v e a n dm o r eb o u n t i f u l t h em o d e lo fd a t a b a s es y s t e mo f h e a v yc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni s b u i l t a n dad e t a i l e da n a l y s i so fe a c hf u n c t i o nm o d u l es t u d i e d t h e o p t i m a lc u t t i n g p a r a m e t e r sa c c o r d e dw i t hp r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t sa r eg i v e n ，w h i c hc a ng u i d et h e s p e c i f i cp r o c e s sa n de n h a n c et h el e v e lo fp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t st oac e r t a i n e x t e n t k e y w o r d sc u t t i n gd a t e b a s e ，l a r g ec y l i n d e rs e c t i o n ，m e s ho p t i m i z a t i o n ，p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n i i i 哈尔演理丁人学t 学硕i 。学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 大型筒节是围家重大技术装备和重大工程所必需的零部件之一，大多用于 石油、化工、冶会、矿山、重型机械和核工业等行业中。随着现代工业技术的 迅速发展，大型筒节的需求量不断增大，已由百吨上升到干吨，研究大型筒节 件的生产制造过程的重要性不言而喻1 。 大型筒节的切削加工工艺复杂，加工难度非常大，筒节的加工质量直接与 切削参数的选择有关。如果切削参数选择得当，可以大大减少加工过程中的换 刀次数，提高切削加工的生产效率果；倘若选择不当，则会造成很大的生产上 的损失。因此切削参数的优选，对于大型筒节加工有极其重要的意义。 在科学技术飞速发展的今天，各种高新技术的应用同益普及，计算机和通 讯技术的发展尤为迅速，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。切削工艺数据库存储了丰富的金属切削的数据、可以快速高效地提 供加工参数，增强企业的竞争能力p 。本课题针对中幽第一重型机械集幽公司 的大型筒节切削加工，建立了专门的切削工艺数据库系统，实现对工件、加工 机床刀具参数等切削参数的统一管理和实时查询。 综上所述，可以清晰地发现，研究与开发大型筒节切削参数优化数据库系 统是一个重大而现实的课题，对大型筒节加工技术及企业市场竞争力的提高具 有非常重要的意义。 1 2 课题来源及研究的目的和意义 1 2 1 课题来源 国家高技术研究发展计划：高强度钢、淬硬钢大型零件高效切削技术及应 用( 项日合同编号：2 0 0 9 a a 0 4 4 3 0 2 ) 幽家科技重大专项子项：高档数控机床与基础制造装备( 项目合同编号： 2 0 0 9 z x 0 4 014 0 6 6 ) 。 1 2 2 课题研究的目的和意义 大型筒节体积大，表面状态非常恶劣，如图1 1 所示。其切除量高达5 0 哈尔滨理t 人学下学顾 ：学位论文 以上，背吃刀量是巾小型机床的1 0 倍 ! 右，进给最为巾小机床的5 倍左右； 切削温度高达1 0 0 0 以上；在高温下，j 具粘结破损严重，加二l ：一个主体件需要 换刀4 0 余次，给切削加工工艺参数的选择带来很多困难 1 。而且美国、f 1 本 等国家对筒节材料的技术严加保密，圈内外都查询彳 = 5 m m ，各部达r a 3 2 机床名称：6 - 3 米数控立式4 i 床 机床型号：2 旺15 f p 切削液：无 刀具名称：7 5 。车刀 刀具型号：p c b n l4 0 4 0 s1 9 刀片开4 号：c n m g1 9 0 61 2 一m r 切削深度：1 0 1 2 r a m 切削速度：8 0 1 0 0 m m i n 走刀量：0 8 一1 o m m r i ：艺流程：粗加卜一u t 探伤一调质一半精加1 - 一u t 探伤时效一精加l ：一表 面探伤一交检 筒i 了切削加上实例模型可表示为如下所示： 即炮脚删= e i ( i d , , i d 2 , i d k ) , ( y q 孑州a d 印鸬，以x 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论文 式中：i d = ( i d , ，i d 2 ，i 4 ) 为加工工序编号，在系统中可由系统自动生 成；= ( y q l ，y q 2 y q 。) 为筒节加工要求，y q ，( 扛l ，2 ，m ) 是筒节切削加工实 例的第i 个属性特征，m 为特征的个数，加工要求有工件名称、材料牌号、加 工精度、加工工序等信息；们= ( j c , ，j c ：，死) 是筒节加工所用的机床， j c , ( 江l ，2 ，n ) 是机床信息，包括机床名称、机床型号、生产厂家等信息； t = ( t i ，2 ，j ，) 是筒节加工所采用的刀具，t i ( 扛l ，2 ，p ) 是刀具信息，包括刀具 名称、刀具牌号、刀片牌号等信息；c s = ( c s 。，c s ：，傩，) 是切削参数，包括切削 深度、切削深度和走刀量。 事实性知识采用面向对象表示法进行描述。利用面向对象的封装特性把系 统中用到的事实性知识封装到一个类旱，系统编程简单且便于维护。根据前面 介绍的刀具及切削参数选用原则建立事实数据表格，主要参数有刀具选用、刀 具寿命、切削液、切削三要素、切削力、材料性能等信息。在应用系统中表示 为如下形式： c l a s sz h i s h i r e c o r d s e t p u b l i c ： c s t r i n gmd a o j u c a i l i a o ； 3 具材料 c s t r i n gm _ d a o j u j i a o d u ；刀具几何参数 c s t r m gm _ d a o ju s h o u m ；刀具寿命 c s t r i n gm _ q x y e ；切削液 c s t r i n gms u d u , 切削速度 c s t r i n gms h e n d u ；切削深度 c s t r i n gmz o u d l i a n g ；走刀量 c s t r i n gm c s t r i n gmc c d u ；籽l 糙度知识 c s t r i n gm g j i a n c l i a o ；3 二件材料知识 3 3 3 知识库的建立 由于切削参数优选时用到了机床、刀具、工件等实体，本文中规则库根据 实体的不同，分别建立了机床规则库前提表、机床规则库结论表、刀具规则库 前提表、刀具规则库结论表、工件规则库前提表、工件规则库结论表。各个前 提表和结论表结构都一样，如表3 2 、表3 3 所示。 实例库和廖实性知识库采用数据库的形式进行建立，在s q ls e r v e r 2 0 0 0 数 n 尔滨理t 人学t 学硕f 学位论文 据库的关系表中存储形式分别如表3 4 、表3 5 所示。 表3 - 2 规则库前提表 t a b l e3 - 2r u l ep r e m i s ef o r m 序号属性躬称列名数据类型 l 规则i d mi di n t 3 前提序号m - q t n u m i n t 4 前提名m _ q t n a m e v a r c h a r 5 前提值m q t v a lu e v a r c h a r 表3 3 规则库结论表 t a b l e3 3r u l er e s u l tf o n l l 序弓 属性名称列名数据类型 1 规则i d mi di n t 3 结论序号m _ ji e l u n n u m i n t 4 结论名 m j i e l u n a m e v a r c h a r 5 结论值 m j i e l u n v a l u e v a r c h a r 表3 4 加i ：r ：艺实例存储表 t a b l e3 4p r o c e s si n s t a n c es t o r e di 1 3 f o r m a t i o n 序号 属性名称列名数据类玳 l 。i ：序编号 i di n t 2 零什名称l j n a m e n v a r c h a r 3 材料牌号 c a i l i a o p h n v a r c h a r 3 加i ：l ：序 ，1 。 g o n g x u n v a r c h a r 4 加i ：精度j i n g d u n v a r c h a r 5 i ：艺要求y a o q i u v a r c h a r 6 机床名称j i c h n a m e n v a r c h a r 7 机床删号ji c h x h a o n v a r c h a r 8 川jl 名称d j u n a m e n v a r c h a r 9 刀具掣号d j p h a o n v a r c h a r 1 0 ) 】式啊! 。号d p p h a o n v a r c h a r 1 1 切削深度 s h e n d uf l o a t 1 2 剀削述度 s u d uf l o a t 1 3 走刀鼙z o u d l i a n g f l o a t 1 4 i ：艺流程 l i u c h e n g v a r c h a r 2 4 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 表3 5 事实性数据存储表 t a b l e3 5f a c t u a ld a t as t o r e di n f o r m a t i o n 序号属性名称 列名数据类巧! l 知识编号 i di n t 2 刀具材料d a o j u j i a o d u v a r c h a r 3 刀 儿何参数d a o ju ji a o d u v a r c h a r 4 刀具寿命d a o ju s h o u m v a r c h a r 5 切削液 q x y e v a r c h a r 6 切削深度 s h e n d uv a r c h a r 7 切削速度 s u d u v a r c h a r 8 走刀苗 z o u d li a n gv a r c h a r 9 切削力 q x l i v a r c h a r 1 0 表面粗糙度 c c d uv a r c h a r 1 1 i ：什材料g ji a n c l i a o v a r c h a r 综上所述，本文确定了大型筒节切削参数优选数钳库系统的整体结构，如 图3 2 所示。 数据库 知识席 i ：件表 j ja 表 机床表 姚则前提表 规则绐论表 t 岂实例表 事实忤知识表 图3 2 数据库系统的整体结构 f i g 3 - 2o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ed a t a b a s es y s t e m 3 4 本章小结 本章首先分析了重型切削刀具及切削参数的选用原则，为知识库的建立奠 定了基础；接着对目标函数及约束条件进行了研究，确定了切削参数的优选模 型；最后给建立了大型筒节切削数据库系统的知识库。 人型筒节件季型切削数据库系统 哈尔滨理t 人学丁学硕i j 学位论丈 第4 章交互式离散网格寻优算法研究 4 1 机床刀具交互式优选 4 1 1 机床刀具交互式优选原理 在实际筒节切削加工过程中，工件、机床、刀具是一个相瓦影响的加工系 统，每一个参数发生变化都会影响切削用量的数值、切削效果及j j n t _ 效率。在 优选模块中的机床刀具交互式优选过程中，系统通过交互式提示的方法实现对 机床刀具的优选，机床优选时在机床型号列表中显示出可供选择的机床型号， 用户根据型号进入机床库中查看具体信息，如果信息不满足切削加工要求，可 退出数据库继续选择直到选择的信息满足条件为止；刀具优选时工艺设计人员 根据工件材料进入工件材料库，根据材料的可加工性筛选出满足加工性要求的 刀片材料，然后进入刀片库，根据刀片材料选出满足条件刀片犁号，查看刀片 具体信息，如果信息不满足加工要求，可重新选择。这种交互式选择方法对于 经验f 、= 足的新手有很好的实用性，而且灵活、直观、便于控制。机床刀具优选 流程如图4 1 所示。 图4 1 机床刀具交互式优选流程 f i g 4 1i n t e r a c t i v eo p t i m i z a t i o np r o c e s sa b o u tm a c h i n ea n dt o o l 哈尔滨理工大学工学硕= i ：学位论文 4 1 2 机床刀具交互式优选实例 图4 2 所示的是机床型号列表，列表中显示了可供选择的机床型号，双击 一个机床型号，则进入机床库查看该型号机床的具体信息，如机床中心距，最 大切削直径，最大切削高度，数控系统等参数。如果参数不满足加工要求，则 可以在机床型号列表中重新选择即可。 图4 2 机床优选列表图4 3 一l ：什材料列表 f i g 。4 - 2m a c h i n e s e l e c t i o nl i s t f i g 4 - 3w o r k p i e c em a t e r i a ll i s t 图4 3 所示的是工件材料列表，本文中的筒节材料仅限3 c r l m o o 2 5 v 、 2 2 5 c r l m o 、2 2 5 c r l m o v 三种，选择其中的一个材料后，系统进入工件库，根 据材料的可加工性筛选出满足加工性要求的刀片材料，在图4 3 中的刀具材料 列表中显示出优选的刀具材料，在列表中选取合适的材料，根据提示点击“点 击选择刀片型号”按钮，系统进入刀片库中，选出符合材料的刀片型号并显示 在刀片型号列表中；在列表中选择需要的型号后，根据提示点击“点击选择刀 具型号”按钮，系统进入刀具库，选出符合条件的刀具型号并显示在刀具型号 列表中，根据提示点击“点击查看刀具信息 按钮，在图4 4 所示的对话框中 显示出优选出的刀具信息和几何参数，根据这些信息判断刀具是否符合加工要 求，如果不符合要求，重新选择即可。图4 6 所示的是优选出的刀具材料、刀 具名称、刀具型号及刀片型号。 鹳一叫伸：呲巧(兰卿卿卿姒 一一一一一一一一一一一一一一 哈尔滨理t 犬学丁学硕：l ：学位论文 选择刀片 ；毒科 g c 2 0 2 5 c t 5 0 15 g c l0 0 5 g c l0 2 5 g c l l0 5 g c 2 0 15 g c 2 i 】3 b g c 2 3 5 g c 3 2 10 g c 3 2 15 g c 4 2 0 5 g c 4 2 15 g c 4 2 2 5 a ) 刀片材料选择列表 a 1b l a d em a t e r i a ls e l e c t i o nl i s t 刀具名称： 车刀 月具型号：d c b n r l 2 0 2 0 k 1 2 刀片型号： c n m g l 2 0 4 0 8 - - m r 刀片材质： g c 2 0 2 5 刀片厚度：4 7 6 l 何参数： 前角；一6 4 后角：o 。 刀倾角； 一6 。 4 2 选择刀片型号： c n m g l2 0 4 0 8m r c n m g c n m g c n m g c n m g 9 0 612 一m r 9 0 612 m h 9 0 612m r 9 0 612m r c n m g l2 0 4 12 一m r c n m g l2 0 4 16 一m r c n m g l6 0 6 12 一m n c n m g l6 0 6 16 一m r c n m g l9 0 6 12 一m r c n m g l9 0 6 16 一m r c n m m l2 0 4 0 8 一m r c n m m l2 0 4 12 一m r b ) t j 片鼎号列表 b ) b l a d et y p el i s t 图4 4 刀具优选列表 f i g 4 - 4t o o ls e l e c t i o nl i s t 刀具生产商 刀片生产商 刀片形状 切削刃长度 s a n d v l k s a n d v l k 8 0 菱开 2 7 主偏角； 7 5 副偏角： 口尖圆弧半径：0 8 图4 5 刀具几何参数对话框 f i g 4 - 5t o o lg e o m e t r yp a r a m e t e r sd i a l o g 切削参数网格寻优算法 4 2 1 切削参数网格寻优算法原理 选择刀具型号： d c b n 刚l 2 0 2 0 k i2 c ) f j 具璎号夕0 表 c ) t o o lt y p el i s t 刀片材料： g c t o p s 7 3 具名称： 车刀 习具型号：d c b n f i i 一2 0 2 0 k i2 刀片型号： c n m g l2 0 4 0