汽车模具高速切削工艺参数数据库开发

摘要

　　高速加工技术是一项先进的制造工艺，已成为切削加工的重要发展方向，在航空航天、汽车、模具等行业得到越来越广泛的应用，并逐渐向其它行业扩展。推广应用高速切削加工技术，可以提高制造业的综合效益和竞争力。研究和建立高速切削参数数据库，为生产企业提供迫切需要的高速切削加工数据，对推广高速切削加工技术具有非常重要的意义。

　　目前，国内有关模具高速切削加工的实用工艺参数还十分缺乏，针对模具高速切削的数据库系统的研究和开发也报道的很少。而由于切削工艺参数选择不当而影响零件的加工质量和加工效率以及造成刀具严重磨损的情况还普遍存在，大量实例数据和经验数据的流失又造成了资源的严重浪费。本文的主要目标就是构建一个模具高速切削工艺参数数据库的系统，将模具制造企业在实际生产中结合刀具、工件、机床与企业自身的实际情况积累得高速切削加工实例、工艺参数和经验等数据有选择地存储到高速切削数据库中，不但可以节省大量的人力、物力、财力，而且可以指导高速加工生产实践，达到提高加工效率，降低刀具费用，获得更高的经济效益。

　　在综合分析高速切削加工技术的领域知识及信息需求与处理需求的基础上，1.

　　提出了模具高速切削工艺参数数据库的系统结构，并以Microsoft SQL Server 2000为数据库管理系统的平台、以VC为应用程序开发工具建立了数据库系统；2.利用VC编写了UG接口程序将系统集成到UG中，CAM编程者所有对数据库的操作都在UG环境下直接通过接口程序进行，不需要在程序间切换，提高编程效率；3.研究了基于实例的推理（Case-Based Reasoning—CBR）在高速切削加工中的应用。在目前缺乏大量系统适用的高速切削加工数据的情况下，应用基于实例推理解决问题的思想和方法，为建立高速切削数据库、推广高速切削加工技术，提供了一条切实可行的途径。

　　实例改写算法的深入研究、高速切削用量的优化以及系统功能的完善等将是今后继续研究的方向。

　　关键词：高速切削加工 数据库 基于实例推理 UG

Abstract

　　The high-speed machining technology allures most manufacturers for its great increases in material removal rate, machining accuracy, surface quality, and decreasing in machining cost. Thus, the HSM technology can increase the profitability and competitiveness of a machine shop. It is very imperative to develop high-speed cutting database to provide appropriate cutting parameters for the manufacturing industry.

　　Until now there are short of HSM parameters used in practice, and Auto Die High-speed Cutting Database Systems are hardly used too. And the situations such as influence processing quality and process efficiency of the part and leading to the cutter is worn and torn generally exist because of cutting the craft parameter to choose improperly, the running off of a large number of instance data and experience data has caused the wasting seriously of resources again. The main goal of this paper is to structure a database system of craft parameter of auto die high-speed machining. The mould manufacturing company have accumulated HSM cases, cutting parameters and experience combining cutter, work piece, lathe and enterprise's own actual conditions in producing actually. By utilizing data chosen from the above resources, not only can save  large amount of material resources, financial resources but also can supervise production practices at a high speed in order to improve the efficiency of processing, reduce the cutter expenses, obtain higher economic benefits.

　　In this dissertation, First of all, the systematic structure of a high-speed craft database of mould cuts has been developed. It is based on Microsoft SQL Server 2000 as a data base management system. Secondly, UG interfaces are provided by programming with VC++, in this way users can transfer data in UG directly. Users do not need to switch over among the procedures, so can improve programming efficiency; Thirdly Case-Based Reasoning as a problem-solving approach of the artificial intelligence to solve a new problem by using the solutions of the old problems is presented. CBR is also an incremental and sustained learning approach. It enables the system learn from storing new case and experience.

　　There are many matters to in-depth research, for example research of the case of rewriting, optimizing of HSM parameters and perfection of system and so on.

　　Keywords： High-speed machining Database system Case-based reasoning Unigarphics

　　在当前制造环境中，高速切削工艺参数的选择和使用已成为困扰零件加工的一个大问题。为此人们也做了大量的工作，由于种种原因至今效果并不明显。因此目前由于切削工艺参数选择不当而影响零件的加工质量、加工效率和刀具磨损的情况还比较严重。就东风汽车模具有限公司而言，虽然拥有国际领先水平的高速加工机床，但相应的工艺技术却相对落后，致使硬件资源不能得到充分利用。通过现场调研发现存在如下主要问题：

　　1）空刀过多，零件有效切削的时间较少，从而延长了零件的加工周期；2）加剧了机床和刀具的振动，降低了零件的表面质量；3）在零件转角处拉刀，造成零件过切；4）在加工零件缘条或轮廓时，由于拉刀或让刀造成厚度尺寸和轮廓形状不准确；5）切削力过大，造成零件变形或定位状态改变；6）刀具磨损剧烈，从而降低了刀具耐用度；7）工时定额不准，使得高速切削加工的管理水平难以进一步提高；8）在数控加工中心，由于切削参数选择不当而造成的零件超差报废现象十分普遍，以至于目前大多数工艺人员依然依靠工作经验，或是通过查询有关的资料来选择加工参数。

　　基于上述等等原因，对高速切削加工中工艺参数的优化和整理研究已势在必行。我们将针对东风汽车模具有限公司制造车间实际的高速加工对象和加工过程，对涉及高速加工过程中的机床、刀具、零件及其相配套的工艺参数等数据进行科学整理、归纳和完善，并结合有限元模拟技术、基于实例推理的人工智能技术的优点以及 UG二次开发技术设计了本系统（有限元模拟技术主要用于参数优化，由课题组另外成员完成），对东风模具有限公司的 CAM 加工工艺进行了优化和管理。

　　本课题的主要研究目的，一方面是通过对高速切削加工中工艺参数实施优化策略，不但能够缩短生产周期，降低制造成本，提高加工精度，延长刀具寿命，而且依据优化了的工艺及刀具参数，可以建立或完善高速切削工艺数据库，将切削工艺实践中积累的合理选择切削参数与刀具的经验和数据收集起来，为现场加工提供准确及优化的高速切削数据，从而更大程度上提高切削加工水平，获取更大的经济利益；另一方面是在 UG 环境下通过开发的 UG 接口程序来调用高速加工工艺数据库系统，针对不同零件的加工特征给出优化的工艺参数，从而改进 CAM 编程效率，提高生产效率和产品质量。

　　以高切削速度、高进给速度、高加工效率和高加工质量为基本特征的高速切削技术是近 20 年来当今世界制造业中一项快速发展的高新技术，它极大的提高了生产率和推动了制造业的发展[1-2]。该技术在美国的航空航天工业中首先得到应用，因为其多数零件是从原材料中切除 80％的多余材料而制成的（即所谓“整体制造法”）[3]，现在高速切削加工已广泛的应用于航空航天[4-5]、汽车[6-7]、模具[8-11]、机床[3]等工业，展现了它巨大的活力和潜力。

　　美国空军于 1958~1960 年实施了第一个高速切削加工技术研究计划，由美国洛克希德飞机公司进行具体试验研究[3]。但最初的目的并没有取得真正意义上的成功。

　　接着，人们的研究兴趣转向改善工件的加工精度和表面质量，并取得了一定的成功。二十世纪七十年代后期，对高速切削加工的研究集中到了一个更为实用的目的，就是利用高速切削加工大幅度提高生产率、加工精度和表面质量。这引起了各国政府部门和研究机构的极大兴趣，纷纷投入大量人力、物力进行高速切削加工的各项研究工作。

　　1979 年，美国国防高技术研究总署(DARPA)发起了一项为期 4 年的“先进加工研究计划”(AMRP)[5]，旨在为高速切削加工金属材料提供科学依据。这是迄今为止最为系统的有关高速切削加工的研究计划之一，其重点放在铝合金、镍基合金、钦合金、钢与铸铁及其合金的高速车削和铣削加工的研究上。研究计划取得了丰硕的成果，证明高速切削加工时随着切削速度升高切削力降低，加工精度和表面质量提高等[12]。1979~1988 年，德国国家研究技术部拨款支持高速切削加工的研究工作，由达姆斯达特工业大学 (Technical University Darmstadt)的生产工程与机床研究所(PTW)联合 41 家公司，实施了两项研究计划，全面系统地研究了黑色及有色金属材料的高速铣削加工，以及高速切削机床、刀具及主要部件的相关工艺技术[13]。英国、韩国、意大利、日本等国也相继进行了大量的研究工作。

　　1980 年以后，越来越多的高校、研究机构、公司投入对高速切削加工的研究，研究成果也更趋多样化。如 H.K.Toenshoft[14]、A.Gatto[15]等人研究了高速切削加工时切屑的形成；T.D.Marusich[16]等人用有限元法分析了高速切削加工时切屑的形成；G.M.Kim、T.Ozel、S.Jayaram 等人[17-19]对高速铣削时的切削力、应力的预测及仿真进行了研究；其它的研究成果涉及高速切削加工时的毛刺控制、表面粗糙度、工艺参数优化、走刀路线切削方程等[20]。目前，高速切削加工技术己成为切削加工的主流和发展方向。

　　高速切削加工技术是建立在机床结构及设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能 CNC 系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高速切削加工机理、高速切削加工工艺等诸多相关技术均得到充分发展的基础之上的。高速切削加工技术的推广应用是建立在制造技术全面发展的基础上的高速切削加工的关键技术包括刀具技术（刀具及刀具材料等）、高速机床及数控技术高速切削加工理论等[20]。

　　目前，高速切削加工在欧美、日本等发达国家的应用已比较普遍，但在我国的研究及应用起步较晚。

　　二十世纪八十年代以来，我国最早开展的是高速硬切削加工技术的基础研究，其后陆续开展高速切削加工铝合金、钢铁及其合金的研究，以及高速切削机床技术及刀具技术的研究。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发展急需技术项目中的重要内容[21-22]。与国外相比，我们在高速切削机床及其数控系统、刀具技术方面的差距最大。目前国内使用的高速切削机床和加工中心主要是进口产品，但主轴转速达 10,000~15,000r/min 的数控机床和加工中心也有自己的产品；刀具也以进口和外资在国内生产的产品为主，但通过引进技术的改造或合资生产的方式，国内也开始生产高速工具系统和高速切削刀具。在高速切削加工理论的研究方面，我国对高速硬切削加工的研究具有自己的优势，但从整体上看，还没有形成自己的高速切削加工理论系统，与国外还有差距。

　　汽车模具高速切削工艺参数数据库部分功能演示：

系统启动及登陆

工艺管理 A

工艺管理 B

实例推理对话框

实例修改对话框

加工参数查询对话框

设备资源信息对话框

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　1 绪 论
　　　　1.1 本课题的来源、目的及意义
　　　　1.2 课题背景及国内外研究现状
　　　　1.3 本课题研究的主要内容
　　2 系统功能及总体结构
　　　　2.1 概述
　　　　2.2 系统功能
　　　　2.3 系统结构
　　　　2.4 小结
　　3 系统的数据库部分的设计与实现
　　　　3.1 数据库设计概述
　　　　3.2 数据库的设计
　　　　3.3 小结
　　4 应用程序与 UG 接口程序设计
　　　　4.1 概述
　　　　4.2 应用程序设计
　　　　4.3 UG 接口程序的设计
　　　　4.4 小结
　　5 基于实例推理（CBR）在系统中的应用
　　　　5.1 CBR 概述
　　　　5.2 CBR 在高速切削工艺中的应用
　　　　5.3 知识库的构建
　　　　5.4 小结
　　6 系统的应用及性能分析
　　　　6.1 应用概述
　　　　6.2 系统应用
　　　　6.3 性能分析与评价
　　　　6.4 小结
　　7 结论与展望
　　　　7.1 本文总结
　　　　7.2 将来展望
　　致 谢
　　参考文献

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