（机械制造及其自动化专业论文）模具高速切削数据库与专家系统的研究.pdf

山东大擘硕士学住论文 摘要 高速切削加工技术是先进制造技术之一。具有加工效率高、加工质量好、 生产成本低等一系列优点将其应用于模具制造领域，可以大大缩短模具制 造周期、提高产品的竞争力，但是由于目前高速切削理论还不够成熟，缺乏 合理的高速切削工艺参数选择方案，阻碍了高速切削技术在模具制造业的推 广应用 基于上述原因，本课题进行了“模具高速切削数据库与专家系统”的研 究与开发，目的是为模具制造企业提供模具材料查询、高速切削用量查询等 基本服务，除此之外，考虑到高速切削工艺参数匮乏的因素，本系统引入了 人工智能技术，使系统可以对模具加工领域出现的新问题按照人类专家解决 问题的思维给出建议解决方案在课题的研究过程中，重点做了以下工作： 1 收集国内外模具材料数据、模具高速切削加工数据以及领域内的专家知 识和经验，构建本系统的组成框架和设计方案； 2 对模具高速切削过程中涉及到的匹配关系进行了研究，如刀具材料与工 件材料之间的物理、力学、化学性能匹配； 3 遵循数据库设计的基本原则，以软件工程思想为指导，对课题涉及到的 数据首先进行概念结构设计，经过抽象和集成得到系统的整体数据库概 念结构，进而将其转化为m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理系统 所支持的关系模式； 4 重点研究了新实例加工方案查询的推理机制，包括相似度的分配、检索 模型的建立；解决方案的改写机制和自学习机制是本课题的另一个重要 研究内容； 5 以p o w e r b u i l d e r9 0 为程序开发工具进行了模具高速切削数据库应用程 序的开发。 ，本课题得到国家自然科学基金( 项目编号：5 0 3 7 5 0 8 9 ) 、霍英东教育基金 ( 项目编号：9 1 0 5 4 ) 、山东省自然科学基金( 项目编号：y 2 0 0 3 f 0 6 ) 的资助。 关键词：模具，高速切削，数据库，专家系统 山东大学硕士学位论丈 a bs t r a c t h i g hs p e e dm a c h i n i n g ( h s m ) t e c h n o l o g yi so n eo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s i th a sas e r i e so fa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hc u t t i n ge f f i c i e n c y ，h i g h s u r f a c ei n t e g r i t ya n dl o wp r o d u c t i o nc o s t t h es h o r t a g eo fr a t i o n a lh i g h s p e e d c u t t i n gp a r a m e t e r h a sh i n d e r e dt h e p o p u l a r i z a t i o n o fh i g h s p e e d c u t t i n g t e c h n o l o g yi nt h em o u l da n dd i em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h eh i g h - s p e e dc u t t i n gd a t a b a s ea n de x p e r t s y s t e mf o rm o u l d d i ei s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：t h es e a r c ho ft h e m o u l d & d i em a t e r i a l s t h es e l e c t i o no fc u t t i n gt o o l sa n dt h ei n q u i r yo fc u t t i n g p a r a m e t e r s f o rt h es h o r t a g eo fh i g h s p e e dc u t t i n gd a t a ，t h es y s t e mh a sa l s o i n t r o d u c e dt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y , a n dt h es y s t e mc a nr e c o m m e n d r a t i o n a lm a c h i n i n gp r o c e s sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r sf o rn e wt o o lm a t e r i a l sa n d w o r k p i e c em a t e r i a l sb yt h es a m ew a yo fh u m a ne x p e r t sm o d eo ft h i n k i n g t h e f o l l o w i n gt a s k sh a v eb e e ns t u d i e d ： 1 t h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e m sf r a m ea n dd e s i g ns c h e m ea f t e rt h ep r o c e s so f c o l l e c t i n gm o u l d & d i em a t e r i a ld a t a ，h i g h s p e e dc u t t i n gd a t aa n de x p e r t s e x p e r i e n c ea n dk n o w l e d g ei nt h ee n t e r p r i s e sa th o m ea n da b r o a d ； 2 r e s e a r c ho nm a t c h i n gr u l e so fh s mf o rm o u l d & d i e s u c ha st h em a t c h i n g r u l e sb e t w e e nm o u l dm a t e r i a l sa n dt o o lm a t e r i a l s ； 3 7w i t ht h eb a s i cp r i n c i p l e so fd a t a b a s ed e s i g na n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h e h i g h s p e e dc u t t i n gd a t a b a s ea n de x p e r ts y s t e mf o rm o u l d & d i ei sd e v e l o p e d a f t e rt h er e s e a r c ho fc o n c e p t u a la n dl o g i c a ls t r u c t u r eo fd a t a t h ep u r p o s eo f l o g i c a ld e s i g ni st ot u r nr e s u l to fc o n c e p t u a ld e s i g ni n t or e l a t i o nm o d et h a ti s s u p p o r t e db ym i c r o s o f ts q l s e r v e r2 0 0 0d b m s 4 t h er e s e a r c ho nt h e e x p e r t sr e a s o n i n gm e c h a n i s m ，t h e m e c h a n i s mo f r e w r i t i n ga d v i s e ds o l u t i o n sa n dt h em e c h a n i s mo fs t u d y i n gb yi t s e l f 5 t ow r i t ea p p l i c a t i o np r o g r a mw i t hp o w e r b u il d e r9 0f o rt h es y s t e m t h i st h e s i si s s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 5 0 3 7 5 0 8 9 ) ，f o ky i n gt u n ge d u c a t i o nf o u n d a t i o n ( g r a n tn o 9 1 0 5 4 ) ， a n dt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ，c h i n a ( g r a n tn o y 2 0 0 3 f 0 6 ) i i 山东大学硕士学位论丈 k e y w o r d s ：m o u l d d i e ，h i g h - s p e e dm a c h i n i n g 。d a t a b a s e ，e x p e r t s s y s t e m i l l 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：啦日 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) 山东走学硕士学位论文 1 1 模具概述 1 绪论 1 1 1 模具在工业发展中的重要地位 模具工业是国民经济的基础，是国际上公认的关键工业，工业发达国家称之为 “工业之母”模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、仪器、仪 表、家电等产品中，6 0 8 0 的零部件都要依靠模具来成形【l2 j 。模具成形生产零 件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗是其它加工 方式所不能比拟的。模具生产水平已经成为衡量一个国家工艺水平高低的重要标 志。“模具就是产品质量”、“模具就是经济效益”的观念已经被越来越多的人所认 识和接受。在中国，人们已经开始认识到模具在制造业中的重要基础地位，认识 到模具技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、生产效益、产品更新 换代的速度、新产品的开发能力，进而决定着企业的市场应变能力和市场竞争能 力。 工业发达国家模具工业发展很快，已经摆脱了其从属地位成为工业体系中基础 工业的重要组成部分。耳前，世界模具市场总体上供不应求，市场量维持在6 0 0 6 5 0 亿美元年1 3 1 。工业发达国家的模具制造业的产值已经超过了刀具制造业的产 值和机床制造业的产值，如日本从1 9 5 9 年至1 9 7 9 年2 0 年的时间内，国民经济总 产值增长了4 5 倍，汽车业产值增长了2 1 倍，机床业产值增长了1 1 倍，而模具 制造业的产值增长了3 1 倍。1 9 8 1 年日本机床制造业的产值为5 1 7 4 亿日元，仅为 模具制造业的产值的三分之二左右，到1 9 9 1 年日本模具制造业的产值已升至1 8 3 3 0 亿日元，以年增长率1 0 的速度增加。2 0 世纪8 0 年代以来，中国模具制造业发 展十分迅速。国民经济的快速发展为模具制造业的发展提出了越来越高的要求， 同时也为模具制造业的发展提供了巨大的动力。近年来，中国模具制造业一直以 1 3 左右的年增长率快速发展，1 9 9 9 年中国模具工业总产值已经达到2 4 5 亿元人民 币，2 0 0 0 年中国模具工业总产值约为2 6 0 2 7 0 亿元人民币，2 0 0 1 年模具工业总 产值约为3 0 0 亿元人民币，“十五”期间国内模具产量年均增长率达到1 5 l 删 山东大学硕士学住论文 1 1 2 我国模具材料的发展概况及趋势 模具材料是模具工业的重要基础之一。随着国民经济的发展和人民生活水平的 提高，人们对产品的审美观、价值观也在不断的变化，从而对模具产品无论是内 在的质量还是外在美观的要求都日益精臻，因此必须对模具材料在数量上和质量 上提出更高的要求中国模具从无到有、从少到多，伴随着模具工业的发展经历 了以下几个阶段： 1 ) 二十世纪五十一二十世纪七十年代( 空白阶段) 这3 0 年中，由于我国推行计划经济的模式，产业结构上借鉴前苏联的生产方 式，模具制造属于企业的一个配件加工车间。由于经济封锁，工业发展缓慢，人 们的生活消费水平较低等因素，抑制了模具制造的产业化、商品化。模具制造对 模具材料的要求不高，处于有什么材料就用什么材料的状态。当时，除了仿制前 苏联的3 c r 2 w 8 v 、5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、c r l 2 等几个可供模具制造使用的材料之外， 企业对其它模具材料无从选择。加之当时的热处理工艺设备落后等因素，很大程 度上阻碍了国民经济的发展和人们消费观念的改变，致使我国模具材料发展史上 出现了专用模具材料研制开发的空白。 2 ) 二十世纪八十年代( 发展阶段) 改革开放和国民经济的发展推动了模具制造业的发展模具制造业已经走出了 企业禁锢的状态，发展成为一个新兴的产业特别是。六五”、“七五”期间，在 国家产业政策的大力支持下，我国各级政府共投资数十亿人民币对模具厂、点进 行了改造，至2 0 世纪9 0 年代初期，全国共有模具厂、点i 0 0 0 0 多个，专业模具 厂2 0 0 多个，从业人员4 0 多万，总产值6 0 多亿人民币；年产各类模具1 0 0 万套( 不 包括简单模具) ，标准模架4 0 多万套，还不包括分散于企业的模具车间( 分厂) 的 模具产量。在模具数量上我国一跃成为模具生产大国。模具生产的发展带动了模 具材料的科研开发十多年中，我国在仿制外国模具新材料的同时，还在国内科 研院所和各钢厂的配合下，自主开发了一些适合我国国情的新的模具材料。在冷 作模具钢方面，我国自主开发了6 5 n b 、c g - 2 、l m i 一2 、l d 、g d 、g m 、d s 钢等新品 种其中6 5 n b 、l d g d 、d s 钢具有良好的抗冲击性，适合于制作冷墩和冲裁凸模； g m 钢具有良好的耐磨性，适合于制作螺纹滚丝轮，与c r l 2 m o v 相比，其寿命可提 高十多倍除上述合金外，还开发了g t 3 5 和d t 等牌号的钢结硬质合金和y g 系列 2 山东大学硕士学位论文 i i l l 的钨钴类硬质合金以满足高寿命的需求，用于制造高速冲床用的模具；在塑料模 具材料方面，自主开发了易于切削的5 n i c a 、0 6 n i 、s m i 、s m 2 以及p m s 、c p r 、p c y 等钢种，这些钢种具有良好的加工、使用性能；在热作模具材料方面，y 4 、y 1 0 、 h 1 、g r 、e r 8 等新产品的开发和应用彻底改变了热作模具几十年来3 c r 2 w s v 一统 天下的局面。 3 ) 二十世纪九十年代至今( 竞争年代) 随着我国国民经济的发展和产品的更新换代，我国已经成为模具和模具材料的 生产大国。据1 9 9 7 年统计，我国年耗模具材料1 3 万吨，其中普钢4 5 万吨，这 说明模具这个特殊的产品在近几十年中由计划经济条件下的备件逐步发展成为市 场经济条件下的商品，并在质量和品牌方面日益得到重视。作为一个工业日趋发 达，产品更新节奏很快的国家，模具的发展更进一步被产品生产商所重视。能适 应不同工况条件和产品制造要求的模具材料的开发、试制和生产成为各大钢厂的 市场竞争热点。由于模具材料规格繁多，同规格模具材料单次需求量小，市场即 时采购等特点，各大钢厂的规模性生产装备无法适应，因此纷纷寻找合适的代理 商以求得规模效益。但是，众多代理商对模具的工况条件、模具材料特性以及热 处理等问题的了解不够，都停留在普钢类方面的激烈竞争 4 ) 今后展望 由于国内在模具材料的使用上存在较大问题，因此需要对模具的生产和应用进 行规范。要做到模具材料的生产产业化、制造精品化和模具材料的规格化，做好 对用户选材用材的指导模具材料生产厂的设备要能适应模具钢的炉外精炼、电 渣重熔等手段，粗轧、精轧、熟处理要做到一条龙专业化生产，中间要有较强的 质量控制和监督环节；要根据模具材料应用厂的发展需求，不断完善模具钢的钢 种，推广使用效益较理想的钢种；针对国内模具材料使用混乱的局面，有必要成 立模具选择用材指导中心，帮助用户正确选择模具材料和合理的热处理工艺。 1 2 高速切削技术概述 1 2 1 高速切削技术的发展概况 高速切削加工( h s m ) 的理念起源于德国c a r lj s a l o m o n 博士c a r lj s a l o m o n 山东大学硕士学位论文 博士，从1 9 2 4 年至1 9 3 1 年用大直径圆锯片对不同工件材料进行了大量的铣削试 验。据此他认为切削温度随切削速度的增加而升高，并于临界切削速度v m 时达到 最大值，其后若继续提高切削速度，切削温度达到峰值后反而会下斟7 一，如图 卜1 所示尽管此观点没有完全被后来的研究者所证实和认可f l o 】，但却引起了人们 对高速切削加工的兴趣，导致了高速切削加工技术的诞生 卜 蜒 蛹 嚣 s v m 切削速度v c 图卜1s a l o m o n 高速切削理论示意图 自从2 0 世纪3 0 年代s a l a m o n 理论提出后，2 0 多年内没有什么重要进展，直到 2 0 世纪5 0 年代后期，高速切削加工的理论基础研究才在世界范围内开始展开这 期间美国、日本、法国、苏联、日本、英国和澳大利亚等都对高速切削加工的理 论进行了研究。美国的洛克西德( l o c k h e e d ) 飞机公司r l v a n g h n 研究小组于1 9 5 8 年- - 1 9 6 0 年进行了高速切削加工的切削力、切削温度、刀具磨损、切削振动和切 屑形成机理等的研究 t l l ；1 9 4 7 年- - 1 9 6 0 年前苏联的v d k u z n e t s o v 进行了高速切 削加工铝和杜拉明( d u r a l u m i n ) 的切削力、切屑变形、切屑硬度和加工硬化层深度 等的实验研究【i u ；日本田中信义( y o s h i n o b ut a n a k a ) 等人也对高速切削加工进行 了比较系统的实验研究。尽管上述研究未能证实s a l a m o n 的观点，但研究结果表 明随切削速度提高，切削力降低，工件的切削加工性能和表面质量得到改善。随 后人们的研究兴趣集中到如何利用高速切削技术大幅度提高加工效率、改善工件 表面质量和加工精度上。1 9 7 9 年美国国防高级工程研究局( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 开始一项为期4 年的现代加工技术研究计划 1 1 2 该技术对高速切削加工技术理论、高速切削加工刀具技术、高速切削加工工 艺以及经济可行性等进行了全面系统的研究。该研究结果明确指出：随切削速度 提高，切削力降低，切削温度升高至工件材料熔点而没有出现降低情况，工件加 工表面租糙度和加工精度得到明显改善研究还指出高速切削加工是经济可行的 等。1 9 7 9 - - 1 9 8 3 年在德国政府研究技术部( m i n i s t r yo fr e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y ) 4 山东大学硕士学位论文 资助下，由d a r m s t a d t 工业大学生产工程与机床研究所( p t w ) 领导的研究小组开展 了一项合作研究，主要研究高速铣削加工过程的特点f 9 1 2 , 1 3 1 1 9 8 1 年研制由磁悬 浮轴承支持的高速电主轴系统，进行高速铣削铝合金实验研究，并于1 9 8 4 年- - 1 9 8 8 年全面深入系统研究了高速铣削铁系和非铁系金属材料的基础理论、高速切削机 床和刀具技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获 得许多具有重要价值的研究成果。2 0 世纪8 0 年代对高速切削加工理论和技术的卓 有成效的研究为该项技术的发展和应用奠定了重要的基础2 0 世纪9 0 年代后，各 工业发达国家陆续投入到高速切削技术的研究、开发和应用中，尤其是高速切削 机床和刀具技术的研究、开发，与之相关的技术也得到了迅速发展，1 9 9 3 年直线 迸给电机的出现拉开了高速进给的序幕。快速换刀和装卸工件的结构日益完善， 新型电主轴高速切削加工中心不断投放到国际市场【1 4 1 。高速切削刀具的材料和可 靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高速切削加工技术已经从理论 研究进入工业应用阶段 我国的高速切削加工技术研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代初期，山东大学切削 加工研究组结合陶瓷刀具材料的研究，比较系统的研究了a 蠊基陶瓷刀具高速硬 切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等，建立了有关切削 力与切削温度模型、刀具磨损与破损理论【”1 9 5 8 5 9 北京理工大学研究了高速切 削的刀具寿命与切削力【2 0 j ，沈阳工业学院和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口1 1 。上海交通大学和有关工厂研究了 钛合金高速铣削工艺、薄壁件高速铣削精度控制等，广东工业大学研究了高速主 轴系统和快速进给系统瞄j ，成都工具研究所研究了高速切削刀具的发展和产业化 等】尽管我国的高速切削加工技术的研究还亟待全面深入，但通过我国科技工 作者的艰苦努力，高速切削加工和高速切削机床的基础理论研究取得了令人鼓舞 的成就，促进了我国高速切削技术的发展。 1 2 2 高速切削技术在模具制造中的应用现状 高速切削技术作为模具技术创新的重要组成部分，代表了今后模具切削加工的 发展趋势模具高速切削加工中的“高速”是一个相对概念，对于不同的加工方 式和模具材料，其切削速度也不同。一般认为切削速度超出普通切削速度5 1 0 的切削加工，或者主轴转速在8 0 0 0 r m i n 以上的切削加工为高速切削聊】。高速切 削加工技术引入模具制造业，对模具制造工艺产生了巨大的影响，与传统加工方 式相比，模具制造采用高速加工技术具有以下优势： 山东大学项士学位论文 1 ) 高速切削加工提高了模具的加工速度对于精加工，尽管高速切削采用的 是小进给速度和小切深，但是切削速度比普通切削快四倍以上；对于粗加工，由 于高速加工本身就是以单位时间内材料去除量最大为目标的，采用大进给加工方 式，切削效率非常高。 2 ) 高速切削加工可以获得高质量的加工表面。高速切削精加工采用的是高转 速、快迸给、小步距、小切深，切削力与常规切削加工相比至少降低3 0 ，这对于 加i l l 性差的工件可以减小加工变形；另外，由于高速切削加工非常迅速，加工 过程中产生的热量绝大部分被切屑迅速带走，工件积聚的热量较少，工件因温度 变化产生的变形较小由于切削力小，对切削刃的影响较小，刀具的变形也较小， 保证了工件的尺寸精确性；另外由于刀具- i 件之间的摩擦减小，切削破坏层变 薄，残余应力减小，实现了高精度、低粗糙度加工 3 ) 简化加工工序，降低生产成本。传统的切削加工只能在淬火之前进行，淬 火造成的工件变形只能靠手工修整或者进行电火花加工才能消除。淬火材料现在 则可以应用高速切削加工技术直接进行加工，既省去了电极材料、电极加工编程 和加工，又节省了电极加工过程所需费用，而且不会出现电极加工所导致的表面 硬化现象另外，由于高速切削加工切削量减小，可以使用更小直径的刀具对小 的圆角半径和模具结构的细节进行加工，节省了部分加工和手工修整的工艺手 工修整时间的减少和生产工艺简化对缩短生产周期的贡献甚至超过了高速切削速 度提高带来的价值。 4 ) 使模具修复更加方便。模具在使用过程中往往要进行多次修复，以延长模 具的使用寿命对于模具的修复，过去主要使用电火花加工。与采用电火花加工 修复模具相比，使用高速切削可以更快的完成模具的修复，而且可以使用原程序， 不需要重复编程，且能做到精确无误。 总之，高速切削技术应用于模具制造具有高效、高精度和能加工淬硬材料的特 点，工业发达国家高速切削技术在模具制造业中已经得到广泛的应用。据 p f a l l b o h m e r & t a 1 t a n l 2 5 】等人的研究统计，结果表明：到1 9 9 6 年为止，德国已经 有4 4 的模具制造公司在使用高速切削技术，而5 9 的模具公司打算在高速切削技 术方面进行投资，日本和美国大约有3 0 9 6 的公司有这方面的使用经验，大多数公司 都认为高速切削加工技术是未来很有吸引力的一项技术。高速切削技术在我国的 推广不是很理想，在模具制造企业中的应用更是风毛麟角，因此大力推广高速切 削技术，对于我国模具制造业的发展具有十分重要的意义 6 山东大学硕士学位论文 1 2 3 高速切削技术在我国推广面临的问题 高速切削加工技术的研究在我国起步较晚，尽管在“国家十五重点领域技 术预测研究”及“先进制造领域关键技术的分析论证”中，高速切削技术被列为 重大综合型项目和经济与社会持续发展项目中的重要内容断鼍且国内已进口了大 批高速加工设备，也开发了多种高速加工机床和加工中心，还有许多独资和合资 的工具企业和部分国有企业可供应高速切削刀具和工具系统，但是高速切削技术 在我国的推广并不尽如人意 概括起来有以下问题亟待解决： 1 ) 缺乏合理的加工参数选择方案。高速切削加工作为一种全新的加工方式，目 前还没有完整的加工参数表或手册可供选择，也没有大量的切削加工实例可供参 考。在进行高速切削加工时，人们往往根据以往的经验和进行大量的试切来确定 加工参数如何合理的选择切削加工参数，达到最佳切削效果，提高切削效率， 是高速切削技术面临的一个重要问题。 2 ) 缺乏合理的刀具选择方法。合理选择切削刀具是高速切削技术推广的一个 关键条件。由于高速切削的切削机理与传统切削的切削机理完全不同，刀具的磨 损机理和失效形式、刀具的受力、切屑的形态也与传统切削不同。传统切削加工， 刀具的主要失效形式是后刀面磨损，而在高速切削中，其刀具的失效形式根据加 工条件和工件材料的不同而完全不同，比如有刀尖破碎、前、后刀面磨损、刀杆 折断等各种各样的形式，并且不同的刀具与不同的工件材料组合产生的效果也不 同。如何合理的选择切削刀具，尽可能的延长刀具的使用寿命，并最大限度的发 挥刀具的性能，对高速切削技术来说是一项十分关键的技术。 3 ) 加强推介，提高企业对高速切削技术的认识。目前，国内不少企业还对高速 切削技术的优越性缺乏足够的认识，其主要原因除上面提到的缺乏合理的切削加 工参数选择方案和缺乏合理的刀具选择方法外，还有一个原因就是加工成本问题。 切削速度提高后，虽然材料去除率、加工精度和工件表面质量得到提高，但同时 造成刀具磨损加快，刀具寿命缩短。由于高速切削加工刀具一般价格昂贵，刀具 寿命缩短所造成的刀具费用提高是显而易见的，而加工效率提高所带来的成本降 低却不能直接体现出来。这是人们怀疑高速切削优越性的重要原因。根据 s a n d v i k 公司的研究【z 3 i ，刀具成本只占总成本的3 ，延长刀具寿命5 0 只能使成 本降低1 ，而提高切削速度2 0 可使成本降低1 5 。因此，通过介绍，让企业真正 了解高速切削技术的优越性有助于高速切削技术的推广。 山东大学硕士学位论文 1 3 切削数据库与专家系统概述 1 3 1 切削数据库与专家系统的内容 在机械制造中，切削加工占极其重要的地位，目前，切削加工约占整个机械加 工工作量的9 5 。据专家估计2 l 世纪切削加工仍然将占到整个机械加工的9 0 以 上例。随着机械加工设备的不断发展，如数控机床、加工中心等的问世及普及， 最大限度的利用这些设备的效率已成为机械加工中的首要问题。随着计算机软硬 件技术的飞速发展，c a d c a p p c a l d 、c i m s 等技术迅速发展并成熟起来。在试图实 现设计制造一体化的企业内，若工件材料的选择、切削参数和刀具的选择依然停 留在凭加工经验或者查询材料手册和切削用量手册的层次上，显然会阻碍生产效 率的提高。在这种情况下，为满足现代化生产的需要，切削数据库应运而生切 削数据库的经济效益是相当可观的，国际生产工程学会( c i r p ) 对切削数据库的 经济效益进行的调查研究表明：使用切削数据库可以使生产成本降低1 0 以上 3 0 孔】实际生产过程中，有些经验不能体现在切削数据库中，比如对新出现的工件材 料的切削用量的推荐、刀具及其参数的选择等等。因此需要把专家系统技术与数 据库系统技术结合起来，将专家的经验知识存储于知识库中，让计算机模拟人类 专家的思维来进行推理，以满足实际生产的需要。 1 3 2 切削数据库发展概况 自2 0 世纪6 0 年代中期开始，各工业发达国家相继开始建立自己的金属切削数 据库，据不完全统计，迄今为止已经有美国、德国、瑞典、英国、意大利和日本 等国家建立了3 0 多个大型金属切削数据库。其中比较著名的有美国切削技术联合 研究公司和美国空军材料实验所于1 9 6 4 年联合建立的加工数据中心( m d c ) ，原联 邦德国于1 9 7 1 年建立的大型综合数据库系统i n f o s ，瑞典s a n d v i k d a 刀具公司的 c o r o c u t 掣3 2 l 。2 0 世纪8 0 年代以前，世界各国建立的金属切削数据库大都以系统 性、全面性为主要要求，这需要大量的人力、物力，且数据库建库周期较长，使 得数据库存储的数据往往落后于制造技术的发展水平。进入2 0 世纪9 0 年代以后， 金属切削数据库的研究逐渐转向专业性小型数据库的开发研究在此期间涌现了 大量研究成果，如i b l a c k 等人1 33 j 建立了激光束j j 口- r 陶瓷件的数据库系统；a b k h a i m l 等人建立了电化学加工的基于知识的数据库系统：w b r o w e l 3 5 l 等人对磨 削数据库系统的建立进行了研究。 8 山东大学项士学位论文 我国在“七五”期间将。金属切削数据库”课题列为重点攻关项目，先后有成 都工具研究所、南京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、山东大学、 石油勘探研究院等单位在切削数据库的研究方面开展了研究开发工作。1 9 8 2 年， 我国第一个金属切削数据库在成都工具研究所筹建，并于1 9 8 7 年建成了我国第一 个试验性车削数据库系统t r n l 0 。为了提高起点，充分利用国外的先进科技成果， 又于1 9 8 8 年从原联邦德国引进了具有世界先进水平的车削数据库软件n 盯0 s ，随 后在i n f o s 的基础上继续开发，增强了一些功能，向国内推出了车削数据库软件 c t r n 9 0 v i 0 。c 1 r i 斟9 0 v 1 0 在汉化的v a x ，、r c m s 操作系统中运行，用户界面为 人机对话方式，采用多层菜单驱动，实现了车削数据的采集、查询、优化、维护、 校检等全部计算机化。c m 9 0 v 1 o 收集了国内的机床、刀具和试验数据，同时也 包含了部分国外数据，由工件材料库、刀具材料库、刀具库以及切削用量库等多 个子库组成，是第一个适合我国国情的多功能多用途车削数据库【3 6 】。1 9 8 8 年，南 京航空航天大学开发了一个专用金属切削数据库软件n a i m d s ；1 9 9 1 年又在此基 础上结合专家系统技术开发了通用切削数据库系统k a i m d s 。该系统的数据处理 方式包括数据检索方式和数学模型方式，而数据输出形式则采用了推荐和优化相 结合的方式岫s 切削数据库系统运用等直线法对切削数据进行优化，优化 速度快，能满足自动化系统优化切削数据的要求。k a i m d s 系统引入了专家系统， 可以进行计算机辅助切削评价，初步实现了数据库技术与专家系统技术的结合。 北京理工大学于1 9 8 9 年开发了难加工材料切削数据库和f m s 切削数据库，1 9 9 0 年建立了涂层硬质合金刀具切削数据库，1 9 9 5 年开发了涂层硬质合金刀具专家系 统。山东大学于2 0 0 3 年开发了基于实例推理的高速切削数据库系统h i s c u t 和高 速车削数据库系统 1 3 3 切削加工专家系统发展概况 专家系统是人工智能领域中目前最为活跃的一个分支，它实现了人工智能研究 从理论研究走向实用，从一般思维方法研究走向专门知识运用的重大突破。自2 0 世纪7 0 年代专家系统的开发获得成功以来，专家系统已经被成功运用于工业、农 业、军事等领域，并产生了巨大的经济效益。如美国已经有8 0 以上的大公司使用 了专家系统，日本已经拥有的处于不同阶段的专家系统达2 0 0 0 多个，西欧国家的 专家系统年增长率达3 0 9 6 以上伴随着切削数据库技术的发展，切削专家系统也开 始出现且在生产中得到应用。目前已经商品化的大型产品有：瑞典s a n d v i k 刀具 公司的c o r o g u i d 、美国k e n n a m e t a l 公司的g a m a 、美国密歇根国际制冷公司的 9 山东大学硕士学住论文 c o m p s 、德国的i n f o s 和新加坡计算机委员会的e m d b ，处于研究阶段或未推向市场 的则更多【3 7 】。英国的d u n d e e 大学开发了智能刀具选择系统( i t s ) ，该系统可利用知 识库中已有的信息或算数逻辑方法寻找最佳切削加工条件 3 8 1j h z h a n g 、s h i n d u j a 等人口钆柏】结合人工智能技术的成果，针对车削加工建立了半智能化的刀具 选择系统s i t s 。国内近年在这方面的研究也取得了不少的成果，建立了一些小型 实用的系统，如北京理工大学、南京航空航天大学的刀片材料推荐专家系统，西 北工业大学的宇航难加工材料切削加工专家系统和哈尔滨科技大学的刀片槽型选 择专家系统等。 1 4 课题的研究意义与研究内容 1 4 1 课题的研究意义 高速切削加工是切削加工的发展方向，是最重要、最具共性的先进制造技术之 一应用高速切削加工技术可以大幅度提高加工效率，提高加工精度和改善工件 表面质量，降低生产成本，从整体上提高制造业的综合效益。但是由于高速切削 加工技术在我国的研究起步较晚，高速切削加工理论还不够成熟，缺乏合理的加 工参数选择方案和刀具选择方法，阻碍了高速切削技术在模具制造企业的推广 很多模具制造企业抱怨，花巨资引进的先进的高速切削加工中心或机床，无法充 分发挥其性能，只能以比普通切削稍高的切削速度进行加工，造成了设备的巨大 浪费。由此可见，建立模具高速切削数据库与专家系统为模具制造企业提供合理 实用的高速切削工艺参数是在模具制造业推广高速切削技术的重要途径，也是摆 在从事机械行业科学研究的广大专家、学者和工程技术人员面前的一个重要课题。 由于目前高速切削工艺参数较少，本课题引入了专家系统技术将数据库系统与 专家系统结合，不仅克服了因可用数据少而造成的建库困难，而且使系统具有了 一定的人工智能性，因此与单纯的数据库系统相比，它更贴近生产实际，更实用。 本课题是国家自然科学基金( 5 0 3 7 5 0 8 9 ) 、霍英东教育基金会高等院校青年教师 基金( 9 1 0 5 4 ) 和山东省自然科学基金( y 2 0 0 3 f 0 6 ) 资助项目。项耳的目的之一是建立 一个面向模具制造企业的高速切削数据库与专家系统，促进高速切削技术在模具 制造业的应用。因此，该系统应具备推荐合理的模具材料、选择切削刀具、推荐 切削用量等基本功能。 l o 山东大学硕士擘住论文 1 4 2 课题的研究内容 1 ) 系统总体方案设计与课题涉及到的基础知识根据用户需求，分析模具高 速切削过程涉及到的初始信息，如模具分类、模具材料的选择标准、刀具与工件 的匹配关系等，明确本系统要处理哪些信息以及如何表示这些信息。在此基础上 确定模具高速切削数据库与专家系统的功能，从整体上对模具高速切削数据库与 专家系统进行功能结构设计 2 ) 模具材料查询与高速切削工艺参数推荐数据库的设计。根据软件工程理论， 在需求分析的基础上，运用e r ( 实体联系模型) 方法进行概念结构设计，确定模具 高速切削加工过程中涉及到的实体、实体的属性、明确实体之间的相互联系：然 后在关系型数据库管理系统m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 上进行逻辑结构设计和物理 设计，得出模具材料查询与高速切削工艺参数推荐数据库的关系模式，并对各关 系模式进行完整性维护。在此基础上对数据库进行应用程序的开发。 3 ) 新实例加工方案查询专家系统的开发。本系统的应用思路是根据现有的加 工实例为新实例推荐可行的加工方案，专家系统的引入在一定程度上弥补了可用 模具高速切削工艺参数少的缺陷。对于专家系统的研究重点是模具加工实例的表 示、实例的相似度计算、实例的检索模型和推理机制的建立、实例的改写与学习 机制。 1 5 本章小结 本章论述了模具制造业在国民经济中的重要地位，以及建立模具高速切削数据库 与专家系统推广高速切削技术的必要性。结合课题，系统介绍了目前国内外模具 材料的发展状况、高速切削技术的发展状况以及切削数据库与专家系统的发展状 况，并确定了模具高速切削数据库与专家系统的研究内容。 山东大学硕士擘住论文 2 系统总体方案设计与课题涉及到的理论知识 本章详细介绍了系统的总体设计方案，并在此基础上对模具高速切削数据库 与专家系统的建库过程中涉及到的模具分类、模具材料的选择、加工过程中模具 零件及其材料的信息处理、高速切削刀具材料、刀具一工件材料匹配、切削用量 的优化选择等知识进行了研究 2 i 系统总体方案设计 系统总体方案设计是软件系统设计的基础，是对整个系统在整体上的把握。通 过总体方案设计，我们可以明确系统要实现的功能、系统开发中涉及到的数据与 知识，进而对系统进行模块化设计，确定各程序模块的开发思路。 2 1 1 系统功能设计目标 模具高速切削数据库与专家系统的开发是为了帮助模具制造企业选择合理的 模具材料并实现高速切削参数和刀具的选择，促进高速切削加工技术的应用。鉴 于上述目的，本系统应该具备下列基本功能：一是根据不同的模具类型选择合理 的模具材料；二是为用户选择合理的切削刀具并提供高速切削加工工艺参数结 合模具高速切削数据库与专家系统的开发目的，本研究运用i d e f o 【4 l 4 z 】建模方法 对系统进行功能模型设计，设计结果如图2 - 1 所示。 模具类型 模具 模具加工对 刀具类型 加工要求 模具零件特征 模 具 高 速 切 削 数 据 库 模具材料牌号性 刀具材料型号 切削用量 新事例解决方案 其它信息 图2 - 1 模具高速切削数据库与专家系统功能模型图 智能算法 ， 匹配规则 酬0 山东大擘硕士擘住论文 从图2 _ 1 可以看到模具高速切削数据库系统的功能活动：该系统输入实际生产 中的诸如模具类型、模具寿命、模具加工对象、加工面类型、刀具类型、加工要 求、模具零件特征等初始信息，根据以往模具材料选择和切削加工经验、遵循的 规则以及系统所采用的推理算法，最终向用户推荐合理的模具材料、符合实际加 工条件的切削参数以及合理的新实例加工方案 经i d e f o 建模方法对系统功能进行分析之后，采用结构化设计方法将整个系统 分成若干个相对独立的功能模块，以便于系统的开发、维护，本系统的结构功能 框图如图2 2 所示。整个系统由6 大模块组成，各模块的基本功能简述如下： 模具高速切削数据库系统 登 录 系 统 冷 作 模 具 具 材 料 查 询 热 作 模 具 料 成 型 模 具 可 转 住 刀 具 削 参 数 查 询 整 体 式 刀 具 事 例 加 工 方 案 查 询 数 据 维 护 报 表 功 能 | | | | | 陲 刀 具 维 护 图2 - 2 模具高速切削数据库与专家系统功能结构 ( 1 ) 登录系统模具高速切削数据库与专家系统是开放式数据库，为保证系统 的安全，需要控制用户的使用权限，普通用户只能对数据库进行数据查询，不能 对数据库进行数据添加、修改、删除操作，只有数据库管理员才具备数据库维护 功能。 ( 2 ) 模具材料查询该模块根据用户输入的初始信息，通过检索数据库，以“产 生式”推理模式进行规则推理，优化输出合理的模具材料。 ( 3 ) 切削加工参数查询切削参数查询是本系统的核心功能之一。本模块包括 采用可转位刀具进行切削加工时刀具、切削用量查询模块和采用整体式刀具进行 山东大学硕士学位论文 切削加工时刀具、切削用量查询模块两个子模块系统根据工件材料类别、工件 加工面类型推荐合理的刀具及刀具材料，进而输出该条件下的切削用量 ( 4 ) 新实例加工方案查询由于高速切削技术是一种高新技术，到目前为止积 累的可用数据较少，传统切削加工积累的切削数据又无法照搬使用为克服上述 困难，本系统融合了