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哈尔滨理t 大学- 丁学硕f j 学位论文 基于知识的高速面铣刀设计技术研究 摘要 高速切削加工技术以其高效、高精度、高加工质量以及污染小为特点 成为现代制造业重点研究和应用的一项新技术，已经广泛应用于汽车、航空 航天、模具等制造领域。高速切削刀具是实现高速切削加工上述优势的关 键，其中高速面铣刀作为高速铣削加工的常用刀具，其性能的好坏直接关系 到产品的加工效率、加工质量和加工成本。目前的高速面铣刀设计主要以经 验设计为主，缺少知识驱动下的定量化设计，难以保证其设计效率和质量。 知识工程以知识为产品设计驱动力，通过知识库、实例库以及推理模 块的共同作用，实现产品设计的智能化。针对高速面铣刀设计中存在的问 题，有必要对基于知识的高速面铣刀设计方法做深入的研究，以提高其设计 效率和质量。 本文以已有研究基础上，采用基于知识的方法对高速面铣刀设计技术 进行研究，主要研究内容为： 针对高速面铣刀设计知识的特点，提出u g k f 语言和采用已有模型相 结合的知识获取方式，实现了对高速铣削机理、面铣刀与工件材料的匹配、 面铣刀结构以及动平衡和安全性知识的表示，采用r b r 和c b r 相结合的知 识推理方式并对知识进行模块化管理。 结合知识工程的思想和高速面铣刀的结构特点，提出了基于知识的高速 面铣刀设计框架模型，根据高速面铣刀设计知识的特点创建了知识库的层次 结构及其管理系统，研究了实例库中实例的表示和检索算法，并通过基于设 计规则的实例检索和参数集驱动实现高速面铣刀设计的推理。 在总结高速面铣刀设计流程的基础上，仓0 建了以u g 二次开发为基础的 高速面铣刀设计应用程序框架模型，采用u g k f 技术实现了基于知识的高 速面铣刀刀体设计，并通过u g w a v e 技术实现知识驱动的高速面铣刀装 配设计，构建了基于知识的高速面铣刀设计系统。 结合高速铣削加工铝合金实例，采用该系统创建的高速面铣刀模型， 并且通过有限元分析，动平衡分析以及高速切削实验验证了基于知识的高速 哈尔滨理t 人学工学硕 ：学位论文 面铣刀设计方法的合理性和推理的正确性。 研究结果表明，基于知识的高速面铣刀设计方法可以很好的实现对已有 的设计知识和经验的再利用，使得设计过程从以往的以经验设计为主变为更 加科学的定量化设计，并且采用知识工程的思想，实现了高速面铣刀设计的 智能化，大大提高了设计效率，对于提高高速面铣刀产品的设计质量也具有 现实意义。 关键词高速面铣刀；知识工程：知识库；实例库；推理机 r e s e a r c ho nd e s i g nt e c h n o l o g yo fh i g hs p e e df a c e m i l l i n gc u t t e r b a s e do nk n o w l e d g e a b s t r a c t h i g hs p e e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ean e wt e c h n o l o g yt h a th a s b e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e di nm o d e mm a n u f a c t u r i n gf o ri t sh i g he f f i c i e n c y ， h i g hp r e c i s i o na n dh i g hp r o c e s s i n gq u a l i t ya n dl i t t l ep o l l u t i o n ，w h i c hh a sb e e n w i d e l vu s e di nt h ea u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，m o l da n do t h e rm a n u f a c t u r i n gf i e l d h i2 hs p e e dc u t t e r sa r ek e yt or e a l i z et h ea d v a n t a g e so fh i g hs p e e dm a c h i n i n g ， a n dh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e ri sa st h ec o m m o n l y u s e dh i g h 。s p e e dm i l l i n g c u r e r t h a ti t sp e r f o r m a n c ei sg o o do rb a d i sd i r e c t l yr e l a t e dt op r o c e s s m g e f f i c i e n c y ，p r o c e s s i n gq u a l i t ya n dp r o c e s s i n gc o s t so ft h ep r o d u c t s a tp r e s e n t ， h i g h s p e e df a c em i l l i n gc u t t e rd e s i g ni sm a i n l yb a s e do ne x p e r i e n c e sa n d l a c ko f q u a n t i t a t i v ek n o w l e d g e d r i v e nd e s i g n ；i t i sd i f f i c u l tt og u a r a n t e et h ee f f i c i e n c y a n dq u a l i t yo fi t sd e s i g n k n o w l e d g ee n g i n e e r i n gm a k e sk n o w l e d g ea st h ed r i v i n gf o r c ef o rp r o d u c t d e s i 鲫，t h r o u g ht h ec o m m o nr o l ei n t h ei m p l e m e n t a t i o no fk n o w l e d g eb a s e ， c a s eb a s ea sw e l la sr e a s o n i n gm o d u l et or e a l i z et h e ”i n t e l l i g e n t ”o f t h ep r o d u c t d e s i 鲫i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ek n o w l e d g e b a s e dh i g hs p e e d f a c em i l l i n g c u t t e rd e s i g nm e t h o dd e e p l yf o rt h ee x i s t i n gp r o b l e m si ni t sd e s i g n t oi m p r o v ei t s d e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y b a s e do ne x i s t i n gr e s e a r c h e s a d o p t i n gk n o w l e d g e b a s e da p p r o a c h f o rt h e r e s e a r c ho fh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e rd e s i g nt e c h n o l o g y , t h em a l nc o n t e n t s a sf o l l o w s ： p u tf o r w a r dt h ek n o w l e d g ea c q u i s i t i o nm e t h o dc o m b i n e d t h eu g k f l a n g u a g ea n da d o p t i n ge x i s t i n gm o d e l sf o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e df a c e m i l l i n gc u t t e rd e s i g nk n o w l e d g e ，r e a l i z ek n o w l e d g ee x p r e s s i o no fh i g hs p e e d m i l l i n gm e c h a n i s m ，m a t c h i n go fh i g hs p e e df a c em i l l i n g c u t t e ra n dw o r k p i e c e 哈尔滨理_ t 人学t 学硕i j 学位论文 m a t e r i a l s ，s t r u c t u r e so fh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e ra n da l s od y n a m i cb a l a n c i n g a n ds e c u r i t yk n o w l e d g e ，a d o p t i n gt h ec o m b i n a t i o no fr b ra n dc b rk n o w l e d g e r e a s o n i n gm e t h o da n dm a n a g ek n o w l e d g ew i t hm o d u l a ra p p r o a c h ； c o m b i n i n gk b e a n dt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e df a c em i l l i n g c u t t e r ，p u t f o r w a r dah i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fk n o w l e d g eb a s e da n di t s m a n a g e m e n ts y s t e m ，s t u d yt h ee x p r e s s i n gm e t h o da n dr e t r i e v a la l g o r i t h m so f t h e e x a m p l e si nt h e c a s eb a s e ，a n dr e a l i z et h er e a s o n i n go ft h eh i g hs p e e df a c e m i l l i n gc u t t e rd e s i g nt h r o u g h t h ec a s er e t r i e v a lb a s e do nd e s i g nr u l e sa n d p a r a m e t e r - s e td r i v i n g ； b a s e do nt h ec o n c l u s i o no fh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e rd e s i g nf l o w ， c r e a t et h ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r km o d e lo fh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e rd e s i g n b a s e do ns e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fu g ，r e a l i z ek n o w l e d g e - b a s e dh i 曲s p e e d f a c em i l l i n gc u t t e rb o d yd e s i g n a d o p t i n g u g k ft e c h n o l o g y ，a n da c h i e v e k n o w l e d g e d r i v e nh i g hs p e e d f a c em i l l i n gc u t t e r a s s e m b l yd e s i g n a d o p t i n g u g w a v et e c h n o l o g y ，b u i l dak n o w l e d g e b a s e dd e s i g ns y s t e mf o rh i g hs p e e d f a c em i l l i n gc u t t e r ； c o m b i n e dw i t he x a m p l e so fh i g hs p e e dm i l l i n ga l u m i n u ma l l o y ，a d o p t i n g t h es y s t e mt oc r e a t eh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e rm o d e l ，v e r i f yt h a tk n o w l e d g e b a s e dh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e rd e s i g nm e t h o di sr e a s o n a b l ea n dt h e r e a s o n i n gi sc o r r e c tt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，d y n a m i cb a l a n c i n ga n a l y s i s a n dh i 曲s p e e dc u t t i n ge x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ek n o w l e d g e b a s e dh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e r d e s i g nm e t h o dc a na c h i e v eag o o dd e s i g nb a s e do nt h ee x i s t i n gk n o w l e d g ea n d r e u s eo ft h ee x p e r i e n c e ，c h a n g i n gt h ed e s i g np r o c e s sf r o mt h ep r e v i o u sb a s e do n d e s i g ne x p e r i e n c et oam o r es c i e n t i f i c b a s e dq u a n t i t a t i v ed e s i g n ，a n du s i n gt h e k n o w l e d g ee n g i n e e r i n gi d e a ，r e a l i z et h ei n t e l l i g e n td e s i g no fh i 曲s p e e df a c e m i l l i n gc u t t e r ，g r e a t l yi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n da l s o h a v ep r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gq u a l i t yo fh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e rp r o d u c t s k e y w o r d sh i 曲s p e e df a c em i l l i n gc u t t e r , k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n g ， k n o w l e d g eb a s e ，c a s eb a s e ，r e a s o n i n gm a c h i n e i v 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于知识的高速面铣刀设 计技术研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 ， 储獬：刃1 彳纱醐纠年月7 日 ， 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于知识的高速面铣刀设计技术研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工 大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在3 年解密后适用授权书。 不保密囤 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名 初彳衫r 罗 日 哈尔滨理工大学t 学硕l 学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 随着社会生产力的发展，人类社会已经进入到了信息时代，作为人类社会 发展原动力的制造业也进入了一个以高速高效为标志的新时代。现代制造追求 高速、高效、低耗、绿色无污染，作为最主要产品加工方式的切削加工技术也 迎来了高速切削时代，它是顺应现代制造的需求而产生的，其以加工效率高、 加工质量高和加工成本低的特点成为现代制造技术的主要发展方向。高速切削 加工技术逐渐成为装备制造业、汽车工业、航空航天工业、模具工业等领域的 关键技术。 国外的现代工业起步较早，他们在工业发展的过程中首先认识到高速切削 加工技术的强大生命力，自从德国的萨洛蒙博士提出高速切削加工技术这一概 念以来 1 2 】，各主要工业国家都对该技术进行了大量的理论和试验研究，同时将 该项技术的研究成果转化为生产力，积极推动了该项技术的发展，逐渐形成了 高速切削加工技术的技术体系。美国于1 9 6 0 年前后开始进行高速切削试验【3 】。 试验采用了将刀具装在家农炮罩，从滑台射向工件；或将工件当作子弹射向固 定的刀具。试验指出，在超高速切削条件下，切屑的形成过程和普通切削不 同。此外，美国科技界和工业界也做了许多领先的工作。德国的d a r m s t a d t 工业 大学的生产工程和机床研究所等4 l 家公司组织了两项联合研究计划f 2 4 1 ，全面而 系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统以及相关的工艺技术，分别对 各种材料的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了国际公认的高水 平研究成果。日本工业界善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中 去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地 位。此外，法国、瑞士、英国、前苏联、意大利和澳大利亚等国在超高速切削 方面也做了不少工作。 国内对高速切削加工技术的研究起步比较晚，而且主要集中在高等院校和 科研机构，做了一些理论探索，也取得了一定的成果。另外，国内的一些厂家 和高等院校也相应的购买了一些高速切削加工设备，也充分认识到高速切削加 工的优越性。但是，高速切削加工不是一个简单的速度提升的问题，它本身是 哈尔滨理t 人学t 学颀十学位论文 一个系统工程，要想充分的发展好该项技术必须全面把握包括机床、工艺、刀 具等各个方面的技术，目前我国在该项技术的研究方面和国外差距还是比较大 的，还没有深入的掌握该项技术。 高速切削刀具作为高速切削加工技术的重要组成部分，其能否满足高速切 削的要求直接影响到切削加工的质量和效率1 5 12 1 。高速切削刀具必须充分考虑到 高速切削机理、高速刀具材料、高速刀具结构、高速刀具安全性、高速刀具与 工件的匹配以及高速刀具切削参数的选择等因素。这就给高速刀具产品的设计 提出了很高的要求，国外大型的刀具厂家的刀具设计系统能够充分考虑到这些 因素，因此他们的刀具产品质量很高。但是国内的刀具设计仍然处于十分落后 的状态，尤其在高速刀具产品方面，通过工程师的经验进行单一规格产品的设 计，设计周期长，修改变型困难，产品质量难以保证。本文针对以上问题，依 托哈尔滨市重点科技攻关计划“基于安全性的数控高速铣刀开发及其系统研制 ( 2 0 0 6 a a 2 c g 0 2 5 ) ”，采用知识工程技术，探索建立针对高速面铣刀的全生命周 期的数字化产品模型，旨在提高高速刀具的设计质量和设计效率。 1 2 高速铣刀开发技术的国内外研究现状 高速铣削加工是最常使用的加工方式，所以高速铣刀的性能对高速切削加 工的影响更为重要。高速铣刀性能的好坏直接影响到高速切削加工的加工效 率、工件加工质量以及加工成本等。与高速铣刀开发密切相关的技术主要包 括：高速切削机理、高速铣刀材料与工件材料的匹配、高速铣刀的可靠性、高 速铣刀的结构以及高速铣刀的安全性和动平衡等技术。 目前，世界上许多国家都在致力于高速铣刀的开发研究，尤其是在美国、 r 本、德国、瑞士等工业发达国家，他们对高速铣刀开发技术的研究已经达到 了前所未有的高度，不仅在理论研究领域，还在高速铣刀产品开发和应用领域 取得了长足的进步，这些国家的一些知名的刀具厂商，如w a l t e r 、s a n d v i k 、 s c h n e u 、f r a i s e 等刀具公司都在推出自己高性能的高速铣刀产品，并在相应的加 工领域充分发挥了高速铣削加工的优势。他们有比较成熟的高速铣刀设计开发 系统，再以高速铣削基础理论和生产实践作为基础，所以能够在很短的时间内 开发出高性能的高速铣刀，并迅速占据市场，形成了非常成熟的高速铣刀研 究、开发、应用体系【6 1 。例如图1 1 所示的德国施奈尔( s c h n e l l ) 公司开发的型 号为n o v a 8 3 0 6 0 l l 的高速球头铣刀，在粗加工切深和切宽分别为0 9 m m 和 1 5 m m 的情况下，切削速度和进给速度可以分别达到2 00 0 0 r m i n 和6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 0 0 0 r a m r a i n ，而刀具寿命仍可以达到理论刀具寿命和磨损周期8 5 以上。这充 分体现了国外高速铣刀产品的技术优势及其广阔的应用前景。 医 图1 一is c h n d l 公司的高速铣刀产品 f i g 卜ih i g hs p o c d f a c e m i l l i n g c u r e r p r o d u c t o f s c h n e l l 国内对高速铣刀开发技术的研究起步比较晚，虽然在高速铣刀设计理论以 及高速铣削机理方面也取得了一些成就，但很难形成成熟的高速铣刀产品。国 内企业高速面铣刀产品的设计主要靠经验进行定性设计，缺乏理论指导的定量 化设计，这直接导致所开发的高速面铣刀产品的切削性能、刀具寿命以及加工 质量不能很好地满足高速切削加工要求，而且设计开发周期较长。主要问题在 于没有能够用高速铣削加工的机理知识以及成熟的设计经验指导高速面铣刀设 计，不能够将这些设计知识和经验快速转化为高速面铣刀产品。所以，我国的 高速铣刀开发相对滞后。 1 2 1 高速铣削机理的研究 高速铣削是多个刀刃断续切削，对每一个刀刃来说，其切削机理和车削方 式相同。高速铣削机理主要包括切屑的形成、切削力、切削温度和切削热等， 这里主要介绍一下切削力以及切削温度和切削热的国内外研究现状。 国外在切削力和切削热方面做了大量的理论和实验研究，首先是针对高速 切削过程中切削力的基本关系进行了研究，研究结果表明”8 l ：高速切削时切削 力的大小与工件材料的剪切强度s 、切削面积爿、刀具前角y 和刀具前、后刀面 与工件的摩擦系数“以及剪切角p 有关，而剪切强度和摩擦系数直接受切削温 度，也受切削速度的影响，剪切角则与切削速度相关。因此，切削速度直接影 响切削力的大小。在高速切削范围内，随切削速度增加，切削温度升高，摩擦 系数减小，剪切角增大，切削力降低。但当切削速度超过15 0 0 m m i n 时，因切 屑动量改变要增加切削力和机床功率的消耗。另外，根据对剪切角和摩擦角的 讨论，得到高速切削时，摩擦系数不是一个常数，它随着切削速度的提高而减 哈尔滨理1 二大学t 学硕，l j 学位论文 小，形成的流动切屑带有较大剪切角和较小的切屑横截面，从而使得切削力降 低。通过有限元分析和实验相结合的方式对高速切削热和温度进行了研究，高 速切削产生的切削热有三种渠道耗散：大约9 5 以上由切屑带走：2 留在工件 上；3 由刀具散热。经过理论推导出的剪切面，前、后刀面的平均温度公式可 以得到，在高速切削范围内，切削温度开始升高很快，随切削速度提高，切屑 带走的热量增加，切削温度升高的速度逐渐放缓，直到趋于稳定。 国内在高速切削机理方面的研究起步较晚，山东大学在陶瓷刀具高速硬切 削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等方面做出了突出的 成绩，此外他们还在模具的高速切削加工技术以及p c b n 刀具的高速切削方面 做了大量的研究。北京理工大学研究了高速切削的刀具寿命和切削力，重庆大 学研究了高速切削机理，天津大学和大连理工大学研究了高速硬切削机理，上 海交通大学研究了钛合金的高速铣削工艺，成都工具研究所在高速切削刀具的 发展和产业化方面取得了很大的成绩【9 】。 从总体上来说，高速铣削机理的研究还有待于进一步加深，还没有充分认 识和准确把握高速铣削加工的基本规律。 1 2 2 高速铣刀材料与工件材料匹配研究 目i j 广泛应用的刀具材料主要有：金刚石、立方氮化硼、陶瓷、涂层、 t i c f n ) 基硬质合金、超细晶粒硬质合金和粉术冶金高速钢等，刀具材料总牌号达 到上前种。而同样的情况，工件材料也同益增多，各种新型材料不断被研制出 来。有如此多的刀具材料和工件材料，如何做到刀具材料与工件材料的合理匹 配，以提高切削加工效率和降低加工成本，成为一个十分重要的问题。 长期以来，国内外选择刀具材料的方式仍以传统的试切法和经验法为主。 这种方法往往需要多种刀具材料进行重复切削试验，研究刀具磨损、破损的原 因，从中找出一个最佳的刀具材料，这样就需要反复试验，盲目性大，浪费人 力、材力、物力。当前，刀具材料与加工对象的合理匹配主要从力学性能匹 配、物理性能匹配以及化学性能匹配三个方面进行研究，虽然取得了一定的成 果，但还需要对切削性能匹配进行系统的研究得出更加科学合理的匹配规则。 1 2 3 高速铣刀可靠性研究 高速铣刀的可靠性是整个加工系统可靠性的重要因素之一，高速切削可靠性 不仅可以减少频繁换刀次数，提高切削效率，而且可以保证工件的质量及机床 哈尔滨理1 = 人学t 学硕f ：学位论文 设备的安全运行，最终提高切削效益。然而，如果高速铣刀的可靠性无法得到 保证，频繁换刀，会直接影响到工件的加工效率，而且会对机床和设备造成损 害，工件的加工质量下降，所以解决高速铣刀的可靠性，是高速铣削加工的关 键技术之一。 当前对刀具可靠性的研究主要是通过概率论和数理统计的方法进行，建立了 各种可靠性特征量，如可靠度、累计失效概率、可靠寿命等i l 叭。刀具破损寿命 分布是分析刀具可靠性的基础，主要是因为高速铣刀在铣削时是断续切削，极 易发生早期破损，所以建立高速铣刀破损寿命模型，对于研究其可靠性具有重 要意义。山东大学利用线性回归分析建立了l d 1 陶瓷刀具端铣淬硬钢时刀具破 损寿命的w e i b u l l 分布；s r o s s e t t o 等把刀具失效看成是由磨损和破损两种作用 共同引起的，并基于马尔科夫随机过程理论建立了刀具磨损寿命分布理论模 型。 此外，对于基于可靠性的高速切削刀具的结构设计也有深入的研究，高速铣 削加工要求整个铣刀系统都十分可靠，不仅是刀具材料本身可靠，同时要求各 个零件结构可靠，同时安装夹紧也必须可靠。 1 2 4 高速铣刀安全性和动平衡研究 铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀在高速旋转时各部分都要承受 很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力 过大足以导致刀体破碎。因此，高速铣刀的安全性对于高速铣削加工来说，是 至关重要的，必须从铣刀刀体材料、铣刀结构、铣刀的重复安装精度等方面严 格保证高速铣刀的安全。 高速铣刀的结构安全性通过动平衡等级来保证。刀具平衡的标准目前大多 采用i s 0 1 9 4 0 g 等级标准。某些精加工高速铣刀( 或镗刀) 不平衡质量已达到 g 2 5 级( e - 0 2 3 8 7 3 x 1 0 5 门。，) ，平衡性能优于g 4 0 级，美国平衡技术公司推出的 刀具动平衡机可将刀具平衡到g 1 0 级【l2 1 。从高速铣刀安全性和高速铣削加工经 济性方面考虑，高速刀具的动平衡精度既不能定的过低，也不能定的过高，高 速刀具的动平衡精度存在一个合理的范围。 1 2 5 高速铣刀结构研究 高速铣刀是在很高的回转速度下工作，其刀体和可转位刀片均受到很大的 离心力作用。所以，不仅要通过选择密度小，强度高的刀体材料来减少离心 哈尔滨理t 大学下学硕i ：学位论文 力，同时还对刀体结构、夹紧机构以及动平衡调节结构提出严格的要求。 刀体上的槽会引起应力集中，降低刀体的强度。因此，高速铣刀结构应尽 量避免采用贯通式刀槽，减少尖角，防止应力集中。同时，应减少机夹零件的 数量；刀体结构应对称于回转轴，使其重心通过铣刀轴线；刀片和刀座的夹 紧、调整机构应尽可能消除游隙，且应保证良好的重复定位性。 由于高速铣削加工过程中，离心力与转速的平方成正比例，所以高速铣刀 通常不允许采用摩擦力夹紧方式，而必须采用带中心孔的刀片，用螺钉夹紧。 另外，刀片、刀座夹紧力方向最好与离心力方向一致。另外，在进行高速铣刀 设计时应该充分考虑到铣刀的不平衡调节，这样可以使得高速铣刀在使用过程 中调整到需要的安全等级。铣刀在机床主轴上的重复安装精度也会影响铣刀旋 转时的不平衡效果，所以对高速铣刀与机床主轴的接口也要考虑到其重复安装 精度。 1 3 高速面铣刀设计存在的问题 高速铣刀设计是一项系统工程，首先需要根据加工需求确定设计目标，然后 基于以上理论进行高速铣刀产品设计，最后还需要设计师去调整铣刀设计中的 一些参数，使得刀具最终能够满足设计和使用要求。 当前高速铣刀设计主要是改善高速铣刀某一方面性能，比如基于可靠性的高 速铣刀设计 1 3 】、基于动态特性的高速铣刀设计【1 4 】等，或者是针对某一种或几种 被加工材料设计高速铣刀，比如切削加工铝合金的高速铣刀设计、切削加工钛 合金的高速铣刀设计、高速硬切削加工铣刀设计等 1 5 , 1 6 1 7 】。以上这些方法对于丰 富和发展高速铣刀开发技术做出了重要贡献，却不能够在高速铣刀模型中融入 设计者的设计思路，进行再设计或者变型设计困难，高速铣刀设计过程进行的 是大量的重复性工作，不能够有效利用已有设计方法和理论。总结起来，高速 铣刀设计中存在的问题主要有： 1 目前高速面铣刀设计都是针对某一种或几种成熟的刀具结构进行某些参 数的调整，使其能够满足加工需要，而不是从高速面铣刀的使用要求来确定高 速面铣刀的结构，设计结构单一；同时，即使是某一结构的高速面铣刀产品， 当切削加工条件或加工目标改变时，刀具结构参数的调整也很困难，尤其是对 刀槽角度的调整，需要设计者根据高速面铣刀设计理论重新计算参数，重新建 模，因此高速面铣刀设计修改变型困难； 2 高速面铣刀设计过程大多是重复性工作，比如刀体设计，每设计一把高 哈尔滨理- 下人学t 学硕卜学位论文 速面铣刀都需要重新绘制草图，标注尺寸约束和位置约束，即使重新设计的面 铣刀结构和已有面铣刀结构相差无几。对于刀片槽设计，大都只需要调整刀片 槽的安装角度即可，当前的建模方法还是需要重新建模。所以，这些重复性的 工作就使得高速面铣刀设计效率低，设计周期长： 3 当前的高速面铣刀设计，均是针对如何改进高速面铣刀某一方面或某几 方面性能进行的，如改进高速面铣刀的动态特性，提高高速面铣刀的安全可靠 性等，这些改进是从改变刀具的某些参数着手，通过理论分析和实验仿真的方 式对参数进行有条件的调整，使得高速面铣刀向着需要满足的性能逼近，这样 的分析和设计理论是不全面的，很难综合运用高速铣刀设计开发理论，从各个 方面综合考虑高速面铣刀的设计目标，如刀具材料、结构、刀具角度、与机床 的接口以及高速切削工艺等，没有一个对这些影响高速面铣刀设计和性能的知 识进行综合加工的可靠平台，高速面铣刀设计过程受人为因素影响较大，也就 是说同样的设计目标不同的设计者设计出的刀具产品可能是千差万别； 4 只有不断的技术创新才能推动技术进步，高速面铣刀产品的需求随着生 产加工的需要在不断变化，要求高速面铣刀产品的设计技术也应该不断的创新 以满足高速铣削加工的需求，当前冗繁的高速面铣刀设计过程，使设计者不能 够将大部分精力投入到技术创新工作中，技术创新的新成果也不能很快的移植 到高速面铣刀设计中去，不能较快实现技术创新和对新技术进行调整和改进， 这样就不利于高速铣刀产品的创新设计。 1 4 基于知识的产品设计技术的国内外研究与应用现状 企业生存和发展需要不断的创新，而创新的源动力在于满足用户的需求。在 知识经济和经济全球一体化的环境下，传统的产品设计技术已经难以适应当前 残酷的市场竞争环境，企业迫切需要采用全新的设计方法，不仅要能够保证产 品的个性化，还应该能够快速的实现产品的设计，这就需要根据客户的个性化 需求，迅速进行改型设计，以知识为基础的产品设计方法正好能够满足这一要 求。基于知识的产品设计方法通过不断重用知识库中的知识，根据相应的推理 机制，在产品的三维设计平台上实现产品快速设计。知识是驱动产品设计的源 动力1 1 8 】。 基于知识的产品设计最终要创建一个数字化全三维的产品模型。在三维实体 建模平台上，如u g 、c a t i a 、p r o e 等，实现对设计知识和专家经验的封装， 建立知识库、实例库，采用相应的推理机制，实现知识重用。通过相应的知识 哈尔滨理工大学丁学硕j ：学位论文 获取机制，不断更新产品设计知识库和实例库。 在k b e 的研究方面，美国、日本以及欧洲各国对该项技术进行了大量研究 工作，许多高校和企业纷纷进行了研究【l9 1 ，如c a m b r i d g e 大学、s h e 伍e l d 大学、 英国航空公司和英国劳斯莱斯汽车公司、俄罗斯国家科学院s a m a r a 机械工程研 究所以及美国国防部高级研究计划局等，用于提高企业开发新产品的能力，为 企业的发展提供动力。国外对k b e 的研究正向着通用化、标准化和高度智能化 的方向发展，该项技术在汽车制造业以及航空航天工业中得到很广泛的应用。 国内对k b e 的研究起步较晚，研究工作主要集中在高校和科研院所【2 0 1 ，如中科 院计算所、台湾交通大学知识工程研究所、清华大学计算机系知识工程组以及 南京大学等单位，主要进行知识工程基础理论研究。 在k b e 的应用方面，国外已经形成了一批商品化的k b e 系统【2 1 1 ，如美洲 虎( j a g u a r ) 汽车k b e 系统、欧洲空中客车公司、美国波音公司、e s d 电气设计 公司等，这些公司采用k b e 技术进行典型零部件的快速和变型设计，也有些用 于概念设计，大大提高了产品的设计速度，比如e s d 电气公司使用k b e 技术 在几天时问内就可以设计完成所有布线，英国航空公司利用k b e 来设计机翼， 如果采用传统的c a d 软件进行设计，a 3 4 0 6 0 0 的所有翼脚设计将耗费整整一 年的时间；如果采用k b e 技术所开发的专用c a d 工具设计，则只需要1 0 个小 时。组建k b e 在提高产品设计速度方面的优势。 相对与国外来说，国内在k b e 应用方面的研究较少，比较典型的是上海交 通大学的模具c a d 国家工程研究中心进行的k b e 应用研究【2 2 1 ，它们和海尔集 团合作开发了注塑模具k b e 系统，该系统创建了知识库、推理机和原型系统， 实现了k b e 系统在典型模具设计中的工业应用。 国内外对k b e 技术及其应用的研究充分表明，该技术在现代产品设计中具 有很强的技术优势，具有非常广泛的应用前景，我国该项技术的发展相对落 后，需要尽快掌握其技术内涵并应用于新产品开发。 1 5 课题研究的主要内容 综合分析了高速切削加工技术的优越性及其广阔的发展前景，针对高速铣 刀产品设计过程中出现的问题，结合k b e 技术在产品开发中的作用和u g k f 技术，进行了基于知识的高速铣刀设计技术的研究，本文的主要研究内容如 下： 哈尔滨理丁人学_ t 学硕l j 学位论文 1 针对高速面铣刀设计过程中存在的问题，在深入分析知识工程技术内涵 的基础上，提出基于知识的高速面铣刀设计技术； 2 结合高速面铣刀设计知识的特点，提出了基于知识的高速面铣刀设计知 识的获取方式、知识表示方法、知识推理机制以及知识管理模式； 3 建立高速铣刀设计开发的框架模型，创建广义知识库、实例库以及推理 模块基本模型； 4 结合u g 二次开发技术、u g 知识熔接技术以及u g w a v e 技术，在基 于知识的高速面铣刀设计框架模型的基础上创建高速铣刀开发系统； 5 根据切削铝合金的实例，采用该系统创建高速面铣刀产品，并综合有限 元分析方法和实验方法，验证系统知识推理的正确性。 哈尔滨理丁人学- t 学颈i j 学位论文 第2 章基于知识的高速面铣刀设计关键技术研究 2 1 高速面铣刀设计知识的特点 高速面铣刀设计是一个系统工程，虽然高速面铣刀产品本身并不是很复 杂，为数不多的几个组件，刀体、刀片、刀楔以及螺钉等，但如何设计制造出 能够满足加工需求的高速面铣刀，却不是一件简单的事情，需要综合多个方面 的知识，包括高速切削技术的基础理论( 切削力、切削热、磨损、破损等) 、高 速面铣刀材料、高速面铣刀材料与工件材料的匹配、高速面铣刀结构、高速面 铣刀刀具角度、高速面铣刀的可靠性、高速面铣刀的安全性及其动平衡技术、 高速面铣刀的切削加工性能及其评价方法、高速切削加工工艺、专家的经验知 识等。综合分析高速面铣刀设计知识，其主要特点如下： 1 高速面铣刀设计知识涉及面广但又紧密联系。正因为高速面铣刀设计知 识面广，所以才有必要去研究知识库的创建；同时知识又是紧密联系的，使得 创建知识库成为可能； 2 高速面铣刀开发中涉及的知识表达形式多种多样，包括公式、图表、草 图、三维实体模型等； 3 高速面铣刀开发过程是一个弱理论、强经验的过程，开发所依据的知识 具有不可靠性，需要不断调整和推理才能实现，具有动态性和实时| 生的特点； 4 高速面铣刀开发知识在一定程度上又具有确定性，可以采用模块化的方 法对知识进行分类，如果采用合理的推理机制将这些模块化的知识联结起来， 即使各个模块知识进行更新，联结模式对新知识依然起作用，这就使得知识本 身具有动态组合和智能化的特点。 2 2 高速面铣刀设计知识的获取方式 知识获取是基于知识的产品设计的驱动力源，只有不断的进行新知识的更新 才能使基于知识的产品设计能够不断补充“新鲜血液”，能够开发出满足需求的 新产品。用于指导产品设计的知识有多种多样，所以必须采取不同的知识获取 方式将相应特点的知识熔接进知识库中，以实现知识库的动态更新。 高速面铣刀开发和其他产品设计开发一样，都是基于已有的开发基础理 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 论、设计经验、科研数据、行业标准、成型的产品实例以及专家经验等，高速 面铣刀设计知识的来源如前所述有多种多样。不仅要能够直接获取已有的知 识，还要能够通过数据挖掘的方式获得新的知识，实现知识获取的智能化，有 助于实现高速面铣刀的自适应设计。基于知识的产品设计系统在知识获取方面 不同于传统的专家系统的地方在于其具有自我生成知识的繁衍机制，主要体现 在基于实例的推理设计方法中，通过实例对已有的设计经验进行更新，在一定 程度上实现高速面铣刀产品设计的智能化。传统的专家系统是将专家的经验以 规则的形式存储到知识库中，需要针对很多种情况分门别类的进行推理机的设 计，这样对于一个专家系统所能处理的工程情况有了一定的限制。 本文基于u g k f 技术来讨论知识获取的方式，主要有采用已有模型 ( a d o p t i n ge x i s t e n c em o d e l ) 方式和通过k f 语言的面向对象编程语言方式。采用 已有模型方式可以用工程知识控制u g 的几何对象，通过该项技术可以对已经 存在的成型产品模型建立规则和属性，还可以采用规则中所用到的所有几何参 数。这样就省去了用文本描述复杂几何模型知识和诸多几何参数之间的复杂的 关系模型，快速实现通过工程知识和规则来控制几何模型。更为重要的是这些 采用的几何对象可以被存储在类库中，为将来的设计提供知识库和实例库支 持，实现设计知识的再利用。通过k f 语言的面向对象表示方法对设计知识和规 则进行修改，改进高速面铣刀设计，实现对高速面铣刀设计知识的全面获取。 2 3 高速面铣刀设计知识表示 知识表示是对知识进行符号化的过程，把人类知识表达成机器能够处理的知 识结构，知识的表达与知识的获取、管理、调用、解释等有直接的关系，对于 问题能否求解以及求解的效率有很大影响。合理的知识表示方法将有利于产品 设计问题的顺利解决。知识表示应该满足以下要求f 1 8 】： ( 1 ) 表达能力能够将问题求解所需的知识正确有效的表达出来； ( 2 ) 可理解性所表达的知识简