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高速切削数据库技术的研究

高速切削数据库技术的研究 2011年12月10日 来源： 1 引言金属切削是零件成型的主要加工手段之一，在机械制造业中占有重要地位。近二十年来，随着数控加工技术及切削刀具制造技术的不断发展，对高速切削技术的理论研究不断深入，高速切削技术已在航空、航天、汽车、机床、模具等制造领域获得了日益广泛的应用。高速切削技术作为一种先进的共性制造技术，已成为切削加工的重要发展方向。 高速切削的概念最早由德国的 Carl.J.Salomon博士于1931年提出。二十世纪六十年代以后(特别是八十年代以来)，各工业发达国家十分重视高速切削技术的发展，纷纷投入大量人力及资金，对高速切削及其相关技术进行研究开发。九十年代以来，高速切削技术的研究进人成熟阶段，其应用范围进一步扩大。一般认为，高速切削是指切削速度超过普通切削的5～10倍或机床主轴转速在10000r/min以上的切削。实际上，根据工件材料、切削加工方式以及刀具材料的不同，高速切削的切削速度范围会有相应变化。概括地讲，具有下列特征的切削加工可称为高速切削加工：① 切削速度高：车削速度v≥500m/min 铣削速度v≥300m/min，钻削速度v≥200m/min；②进给量大：进给速度Vf=20～50m/min或每刃进给量fz=1.0～1.5 mm。 相对于普通切削而言，采用高速切削技术可使单位时间内的材料叨除率提高3.5倍或更高，同时加工成本可降低20%～50%，加工精度和加工表面质量可提高1～2级，这就是世界各国竞相研究高速切削技术的重要原因。此外，应用高速切削技术还可改变对某些难加工材料的切削加工方式，如直接对淬硬材料工件进行车削或铣削加工，实现“以切代磨”等。2 金属切削数据库的发展概况建立切削数据库、为机械制造业提供合理及优化的切削数据不仅是提高切削加工效率和经济效益的一种有效措施，而且切削数据库还是发展各种现代制造技术(如CNC、CAPP、CAD/CAM、FMS、CIMS等)的重要研究基础，是这些系统公共制造数据库的重要组成部分。自二十世纪六十年代中期以来，各工业发达国家相继开始建立金属切削数据库，以积累和储存丰富的金属切削生产和试验数据。世界上第一个金属切削数据库是1964年由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，称为美国空军加工性数据中心 (AFMDC)。此后．各工业发达国家相继开发了各自的金属切削数据库，其中比较著名的有前联邦德国的INFOS和美国的MDC(可加工性数据中心， AFMDC 的后续版本)。我国自“六五”末期开始金属切削数据库的研究工作，成都工具研究所、东南大学、南京航空航天大学、夭津大学、成都科技大学等单位进行了大量研究工作，建立了多种实用的金属切削数据库(如成都工具研究所研制的多功能、多用途车削数据库软件CTRN90V1.0及后续版本，南京航空航天大学研制开发的小型通用切削数据库系统NAIMDS等)。3 高速切削数据库的核心技术金属切削数据库是在金属切削理论研究较为成熟、切削加工工艺普遍应用、切削参数极为丰富的条件下，伴随着计算机技术、数据库技术和先进切削加工技术的不断发展而发展起来的。目前、世界各国虽然建立了许多金属切削数据库．但尚无适用于高速切削加工的数据库，而建立高速切削数据库对于推广和应用高速切削加工技术具有非常重要的意义。高速切削数据库除与普通切削数据库一样必须具有推荐切削刀具和提供优化的切削参数等基本功能外．还应根据高速切削自身的特点，解决以下功能与结构问题： 与数控系统、CAD/CAM 软件良好的通信与接口：由于高速切削大多采用数控机床或加工中心，自动化程度很高，因此高速切削数据库必须具有良好的与数控系统的通信和接口功能，才能充分发挥高速切削的优势。数控技术近十几年来发展非常迅速，数控系统已从具有单纯的运动控制功能发展成为能够进行图形图像处理、通信、网络数据传输等多种复杂功能的开放式计算机数字控制系统。利用计算机通信与接口技术可直接或通过CAD/CAM软件在高速切削数据库与数控机床或加工中心的数控系统之间进行查询、优化、传输等一系列数据操作。 推理功能：由于高速切削技术起步较晚，目前尚无可直接用于生产的通用高速切削数据手册．可用的只有一小部分常用材料的切削数据。人工智能技术刚为建立高速切削数据库的推理功能提供了有力帮助，利用人工智能基于规则或实例的推理技术、模糊控制技术等，可根据现有的成功加工实例产生新的切削数据．直接或经试验验证后输人数据库作为可用数据。 分布式结构：高速切削数据库应具有分布式结构，以便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。数据库技术是计算机技术中发展最决、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已得到迅速发展和广泛而有效的应用，出现了一批基于关系数据模型、支持Client/Server结构和分布式结构的商品化的关系数据库管理系统(如Micosoft公司的SQL Server 2000、0racle公司的0racle 8等)．为建立高速切削数据库提供了良好的技术支持。 网络功能：高速切削数据库应具有网络功能，以便各相关用户通过计算机网络查询相应的切削数据，为各种先进制造技术提供相应的基础数据随着Intranet/Internet技术和制造技术的发展，敏捷制造、协同制造、远程制造、网络制造等先进技术已成为制造技术的重要发展方向。计算机网络与通信技术的飞速发展和广泛应用为高速切削数据库的网络功能提供了坚实的应用基础和有力的技术支持。 预测功能：高速切削数据库通过利用已有的人工智能技术、人工神经网络技术、有限元分析技术、统计分析技术及各种切削力模型、切削温度模型、刀具磨损模型等，应具有预测某些切削效果的功能，如预测工件的加工精度、表面粗糙度以及刀具使用寿命等。 图1 高速切削数据库基本功能示意图

图2 高速切削数据库基本结构框图

4 高速切削数据库的基本结构 高速切削数据库的基本功能如图1所示。其中，输入项为用户根据自己的需要提出的具体要求，如工件及加工要求项反映工件的材料型号、加工前后的外形尺寸、公差等要求；输出项是高速切削数据库对用户需求进行处理后的输出结果，如刀具材料、型号项是数据库向用户推荐的刀具材料类型、牌号等。 结合现有金属切削数据库的结构及计算机和数据库技术发展现状，我们认为，高速切削数据库应采用C/S结构，该结构具有分布式存储和处理数据的功能以及良好的动态性，且便于扩充。同时，高速切削数据库应采用人工智能技术的成果，具备良好、实用的推理功能和预测功能，为高速切削技术的推广应用提供有效的辅助工具。 高速切削数据库的基本结构如图2所示。高速切削数据库主要由数据库、数据源、数据评价验证系统、应用开发系统、网络与通信接口、输出及用户等部分组成。 数据库部分：数据库由切削数据、刀其、上件、机床、工装夹具、模型、加工实例、其它数据等多个分库组成，其中：①切削数据；切削参数库主要存储切削速度、切削深度、进给量、切削性质、类型、切削液等数据；②刀具：存储刀具材料、形状、型号、加工用途、生产商等数据；③工件：存储工件材料、牌号、外形、加工类型、加工性质等数据；④机床：存储机床型号、技术参数、生产商等数据；⑤工装夹具：存储工装及夹具类型、用途等数据；⑥模型：存储切削参数模型、优化模型、系数模型、切削力模型、刀具耐用度模型等；⑦加工实例：存储加工实例数据；⑧ 其它数据：存储用户管理、数据库管理等方面的数据。 数据源部分：高速切削数据库所用数据的来源，包括工厂、实验室、文献手册提供的切削参数、机床、刀具、工装夹具、材料、模型等数据。 数据评价验证系统部分：验证数据库提供或输人数据库的数据。 应用开发系统部分：完成数据查询、录人、更新、修改、删除、优化、传输，实例推理、加工效果预测、数据库管理等应用功能。 5 结语 研究、建立高速切削数据库是目前机械制造业面临的一个重大而现实的课题。高速切削数据库对高速切削技术的推广应用具有重要意义，在高速切削加工时使用高速切削数据库所推荐的、经过优化的切削用量，可显著提高工件的加工质量和生产效率，降低加工成本，从而提高企业的经济效益，增强产品的市场竞争能力。对于整个金属切削行业而言，使用高速切削数据库将会大大提高全行业的切削加工水平，获得巨大的经济效益。

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