高速切削工艺数据库的研究开发
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概括了研究开发的高速切削工艺教据库的功能与基本结构,分别介绍了后台数据库、用户操作界面和工艺技术数据三大组成部分的内容、研究开发技术路线或数据指标,展望了今后努力方向。
高速切削加工(High Speed Machining,简写HSM)是现代先进制造技术之一,具有切削效率高、工件承受的切削力小和切削热低、切削强迫振动小、加工质量高等突出优点。它切削速度、进给速度、进给加速度提高到普通速度切削加工的5至10倍,机床、刀具、切削工艺技术数据大不相同。由于国内工件材料的牌号性能有别于国外情况,不能够完全照搬国外的HSM工艺技术数据。为了充分发挥昂贵的进口HSM设备的效用,尽可能延长刀具寿命,迫切需要研究开发适合国情的HSM工艺数据库,尽快为国内企业提供实用的参考工具。以下介绍通过开展国际产学研合作研究开发的高速切削工艺数据库。

图1 数据库系统框架结构

1 数据库系统的功能与基本结构

数据库系统的功能是提供工艺技术数据查询信息,供用户实际HSM参考高速铣削加工占HSM应用的80%,因此数据库当前仅收录到铣削工艺技术数据。
如图1所示,数据库系统包含软件和工艺技术数据两大部分。
软件设计采用当前主流的树状结构关系型数据库,与层次数据或网络数据模型相比较.它数学基础明晰,管理功能强,可操作性好。软件由后台数据库和用户操作界面两大部分构成。前者为各种表格,用于载入对应的工艺技术数据,包括工件的几何图形信息,后者是介于前者和用户之间的一组人机对话图框。
软件的后台数据库部分在关系数据库管理系统SQL Server2000平台上制作开发,便于修改补充,能够扩展为专家系统.而且支持网络远程查询数据信息。用户操作界面选用VB6.0 编程语言编制开发,能够完全支持结构化查询语言SQL ,并且便于人机对话操作使用。
用户操作界面通过微软开发的开放式数据库连接(ODBC)接口,与后台数据库发生联系。ODBC根据SQL规则设计,可用作各种微软编程语言与所有接受SQL规则的数据库开发平台之间的通用接口。
HSM工艺技术数据一部分通过在我院实验室进行试验切削积累,另一部分由参加国际合作项目的中方合作企业提供,是它们多年生产实践的结晶。

2 软件的后台数据库

按照为数据库系统规定的功能,它需要收录HSM切削实例的工件材料、刀具、切削工艺及其它数据信息备查。相应地在后台数据库中需要建立工件材料、刀具、工艺及工艺图片等表格,来存储这些信息,如图2所示。

图2 数据信息表格逻辑结构
其中,被加工工件材料对HSM工艺具有全局性影响;工件材料一旦发生变化,所用刀具材料、切削工艺参数等都可能要随之变化。所以确定数据库表格间的逻辑关系时,是以工件材料表格为先导,由它引出工艺表格,其中包含刀具材料和牌号栏目;经由它们,再进一步引出刀具详细的信息数据。
考虑到工件的几何形状与尺寸对HSM工艺也有很大影响,在后台数据库中又设立了工艺图片表格,来表明切削实例对应的工件几何信息,使全部数据信息更具有参考价值。工艺图片表格也隶属于工艺表格之下。
为确切说明和界定被加工工件材料,除了要知道其名称和牌号作为基本标识,还要给定其硬度、抗拉强度、屈服强度、冲击值、热膨胀系数、延伸率等力学性能指标数值;它们的大小,通过影响切削力和切削热,会对HSM工艺产生很大影响。据此,工件材料表格中设立了各相应栏目。
根据实践经验.确定工件材料后,选取不同的刀具材料与牌号,又会决定性地影响到切削参数和其它工艺条件的设定。所以,刀具材料与牌号栏目排列在工艺表格的开头。考虑到刀具的几何参数、结构性能信息很多、很重要,而且反过来会受到工件几何与加工工艺的制约,逻辑上不宜与工艺数据信息并列,在后台数据库中就单独设立了刀具表格,隶属于工艺表格之下。
工艺表格中第二序列的栏目内容,是实际操作HSM数控铣床时,需要直接设定调整的切削参数,即主轴转速,轴向切削深度,进给速度,径向切削深度也即走刀行距。由于切削速度是HSM的代表性工艺参数,铣刀每齿进给量也是重要的切削参数,在工艺表格中增设了对应栏目,由后台数据库把它们折算出来一并显示和提供参考。除此之外,还设立有说明冷却润滑等其它工艺条件的栏目。
HSM主要用于钢铁及难切削材料的半梢和梢加工,以及易切削材料如铝、铜、工程塑料、石墨的全部粗、精加工。为了兼顾工艺多样性,后台数据库的工艺表格按照粗加工和精加工分类,在后者当中增添有加工精度和表面粗糙度两个栏目。
工艺表格中最后一栏是工艺图片号,用于异引出工艺图片表格,把工艺技术参数同被加工工件几何信息联系起来。在工艺图片表格中,只有工艺图片号和工艺图片两个栏目。前者与工艺表格呼应链接,后者指向放置工艺图片的物理地址,当用户调用时图片才显示出来。
在刀具表格中,前两个栏目是刀具材料与牌号.同样与工艺表格呼应链接。然后,根据实际需要设立了刀具名称、几何与物理参数、使用限制参数、构成情况以及制造供应厂商方面的共十多个栏目,今后还可以随时增减。

图3 SQL Server2000平台下的材料表格
为提高检索效率、减少数据信息总量,在图2的每一张表格当中,仅载入一个HSM切削实例与表格名称对应的那部分数据信息而构成一条记录。也就是说,一个HSM实例的全都数据信息被分别存储在4张表格中.共占用4条记录,粗、精加工只能够任选其一。通过在每一张表格中设立主键,即图2中带有钥匙标志的栏目,其内容既不可重复也不能空缺,未知时必须注明,如图3所示,并通过设立查询索引,即在某两张表格中出现相同的栏目,可以使工件材料、工艺图片和刀具表格中的一条数据信息记录,与工艺表格中的多条记录链接。这样,就避免了前3张表格中的记录发生重复,可以相应减少数量.在将来数据信息总量很大时有重要意义作用。另一方面,又保证工艺表格中的每一条记录都与另外3张表格中的各一条记录链接为一个整体,能够防止出现冗余的数据信息。

图4 数据库软件运行流程

3 软件的用户操作界面

软件可视化的用户操作界面,有主界面、用户查询界面和管理界面之分。它们在人机对话操作运行软件程序中的作用如图4所示。各界面上设有微软软件中通行的下拉式菜单或者鼠标按钮,提供用户点击选择,便于操作使用。
启动数据库软件后,用户首先来到主界面,可以看到参与研究开发数据库系统的单位名称,并通过鼠标按钮分别进人查询界面或管理界面。用户结束工作需要退出程序,在正常情况下也经由主界面。
用户进入查询界面后,首先需要选择或输入工件材料名称.鼠标或键盘动作通过ODBC接口向后台数据库的材料表格自动检索出与此材料名称相符的全部信息记录,并通过ODBC接口返回它们显示在查询界面上。接着,需要点击选择其中的某个材料牌号并选择粗加工或精加工,通过查询界面与后台数据库的联系与互动,会在查询界面上显示检索到的工艺信息记录,或者提示没有相应记录。此时,需要改选为精加工或粗加工。对于前一种情况,需要继续点击选择其中的刀其牌号或工艺图片号,依次完成检索刀具信息和工艺图片信息的操作。工艺图片还可以放大观看。图5显示用户查询界面。
在以上过程中,可以随时中断当前操作而返回以前任意信息的检索,例如放弃最后的刀具信息检索直接回到选择或输人下件材料名称从头开始。一旦检索到需要的数据信息,可以通过点击查询界面左上角的按钮进人信息输出界面,把它们以屏幕显示式样打印出来,或者以微软办公文档图象书写(.mdi)、网页(html)、文本(txt)等多种文件格式导出。数据信息也可以在UNIX操作系统下,或者在机床CNC数控系统中被调用查看。
为了便于改动工艺技术数据和维护系统,软件增设了管理界面。键入密码进入管理界而后,可以直接在软件程序运行状态下添加、更新甚至删除数据信息,而不一定要结束程序运行进入SQL Server2000平台去完成操作。

图5 用户查询界面

4 工艺技术数据的积累

数据库系统HSM工艺技术数据,目前涉及铝合金、铜合金、钢、铸铁和纸基蜂窝芯等种类的工件材料。铣刀材料主要有硬质合金和金刚石两类。其中,某汽车发动机厂等用金刚石铣刀盘以超过3900m/min的线速度高速铣削铸造铝合金工件,不仅加工质量和效率高,而且刀具寿命长,取得了良好经济效果。又如在实验室,用TiAlN涂层硬质合金铣刀高速硬铣削硬度为52HRC的淬硬钢模具,线速度超过200m/min,表面粗糙度达到Ra0.33µm ,并且加工时间省。在这些HSM切削实例中,相应地机床主轴转速高达15,000至28,000r/min。另一个有代表性的切削数据即进给速度,在许多加工实例中达到了6至8m/min。
就工件的几何形状而言,加工实例中有多筋薄壁整体结构件,其材料切除率高达80%以上,需要努力控制加工变形和提高效率,而铣削纸基蜂窝芯试件更需要使用特殊夹具和铣刀。此外,实例中还有复杂三维自由曲面,需要通过四轴乃至五轴联动数控铣削方能够加工成形。
HSM工艺技术数据今后的不断积累,仍将从这两方面着手进行。

5 展望

以上高速切削工艺数据库,现已提交参加国际合作项目的中方合作企业试用。通过广泛听取意见,准备在国家、地方政府和国内企业的进一步支持与合作努力下,将其扩展为可以通过网络远程访问的高速切削工艺专家系统。
本文作者:同济大学机械工程学院 李沪曾 胡绕脖 黄承宗
原载:上海市金属切削技术协会第十届年会论文集
上载于:2007-8-22 10:29:39

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