切削数据库的研究现状与发展

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切削数据库的研究现状与发展
6 w( P& I$ G8 ~& E( [! i9 B摘要:根据加工工件来优化选择刀具，包括刀具材料、刀具几何参数、刀具结构、切削参数和机床等切削数据，将关系到生产效率、生产成本及加工质量。建立切削数据库，向机械制造业提供合理或优化的切削用量，是增强企业竞争力最有效的措施之一。
* U$ a5 ~7 ]% j  N; o  r2 K, V+ e& g　　本文结合国内外 切削数据库研究开发现状，探讨建立切削数据库的核心技术，分析切削数据库研究及应用过程中存在的问题，着重探讨切削数据库的发展趋势，指出切削数据库未来的研究方向将是集成化、智能化、实用化、网络化和标准化。
　　
　　1 切削数据库的提出
　　切削数据是衡量切削技术水平高低的一个基本量值。采用合理的切削数据，可以充分发挥切削机床和切削刀具的功能，尤其对于各种自动化加工机床、数控机床和加工中心来说，自动化加工的辅助时间已大大缩短，这样，在有效的加工时间内充分利用合理的或优化的切削数据，对提高整个加工系统的经济效益更为重要。切削数据传统上通常依据切削手册、生产实践资料或切削试验来确定。切削手册上的数据来源最广泛，条理性一般较强，但针对性和准确性较差，通过查阅切削手册来获得数据，在信息量和方法的先进性上都非常不足；生产实践资料对具体应用企业而言，针对性较强，但数据太分散，缺乏规律性；通过切削试验获得的数据，最有针对性，但受试验条件等多方面的限制，数据量极为有限，而且试验条件与生产现场条件往往差别较大。
　　随着科学技术的发展，计算机在切削加工中的应用日益增多，国内外已利用计算机来筹建切削数据库，将切削加工中需用的数据和信息，按一定规律储存在计算机中，可以根据需要调用、打印，也可以随时进行修改和增删。切削数据库的内容应包括切削用量推荐值，根据加工条件，在不同的切削深度-进给量组合下，推荐不同寿命刀具下的切削速度，并计算功率消耗。除此之外，还应列入工件与刀具材料的牌号、成分、性能与机床的型号、性能参数等。由于计算机储存数据高度密集，占空间小，便于修改、增删，所以，凡是切削加工所需的数据，甚至切削实验的曲线图形及回归公式(如Taylor公式、切削力经验公式等)、数学模型等均可储存在数据库中。
　
4 t! R1 L& N; U  O6 {　　2 国内外切削数据库的发展现状
$ h' @7 \) c  u2 p- M. P　　自第一个切削数据库诞生以来，世界各工业发达国家大都开发了各自的金属切削数据库。据不完全统计，迄今已有德国、美国、瑞典、英国、日本、挪威、比利时和匈牙利等12个国家建立了30多个金属切削数据库，提供各种形式的信息服务。对世界各国切削数据库所作的调查情况(见表1)表明，目前切削数据库中的数据来源于实验室、生产车间及文献，主要应用于车削、铣削、钻削及磨削。
( J9 }4 H# p1 j. l% l　　在已建立的切削数据库中，当属CUTDATA与INFOS最为著名。1964年，美国金属切削联合研究公司和美国空军材料实验所联合建立了美国空军加工性数据中心(AFMDC)。该中心开发的CUTDATA切削数据库，是世界上第一个金属切削数据库，该数据库包含大量的切削试验数据，并且经过多次更新，比较全面、可靠，可以为3750种以上的工件材料，22种加工方式及12种刀具材料提供切削参数。德国1971年建立了切削数据情报中心 (INFOS)。该中心存储的材料可加工性信息达二百多万个单数据，成为世界上存储信息最多、软件系统最完整和数据服务能力最强的切削数据库之一。
2 _$ ?$ [' r0 s; f9 v6 u　　我国建立的切削数据库是从20世纪80年代开始的。目前，国内有成都工具研究所、南京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、上海工业大学、山东大学、哈尔滨理工大学和天津大学等单位，在切削数据库方面开展了一些研究工作。
9 i4 x0 h7 Y0 [　　成都工具研究所在1987年建成了我国第一个试验性车削数据库TRN10，又于1988年从当时的联邦德国引进了INFOS车削数据库软件 (在国内运行后，被称为ATRN90)，并加以改进，向国内推出其修订版的ATRN90E。随后又继续开发并推出了车削数据库软件CTRN90V1.0。 CTRN90与原版INFOS比较，它改进、扩展了系统，增强了功能，增添了中国数据，应用了“可加工性材料组——切削材料副”的概念，实现了软件的汉语化和英语化。它在汉化的VAX/CVMS操作系统环境中运行，用户界面为人机对话方式，采用多层菜单驱动。软件本身规模约为8MB，带有11个专用子程序库。采用了国内的机床、刀具和试验数据，同时也包含了部分国外数据。1991年推出了CTRN90V2.0，1992年又推出了CTRN90V3.0。在上述基础上，1998年开发了在Windows环境下运行的数据库软件。
　　南京航空航天大学是研究金属切削数据库比较早的高校，早在1986年，南航的张幼桢教授就对建立金属切削数据库的若干问题进行了探讨，许洪昌等对金属切削数据库又进行了更深一步的研究，近年来，着重研究切削数据的优化和专家系统技术在切削数据库中的应用。1988年，开发了一个专用切削数据库软件系统NAIMDS，1991年进一步开发了KBMDBS切削数据库系统。
/ h# n' k1 t$ f' e3 R　　北京理工大学建立了一个主要面向硬质合金刀具材料和涂层刀具生产厂家的切削数据库系统。根据切削数据的不同来源和特点，将其分为三大类：即浓缩型切削数据、离散型切削数据和资料型切削数据。北京理工大学对切削试验曲线在切削数据库中的存储与绘制进行了研究，并在此基础上实现了刀具磨损、刀具寿命、断屑和切削力等六种试验曲线的存储和绘制，使金属切削数据库在功能上不仅能够存储数据，而且也能处理曲线。这对于丰富切削数据库的内容，扩大切削数据库的范围，以及工程数据库的建立都有积极的意义。
; h6 J4 X% f. q" w" ^4 r% H2 L! |　　除了各国均建立自己的切削数据库外，国际学术机构也开展了切削数据库的研究开发工作，如于1995年成立的国际生产工程学会(CIRP)切削加工模型研究小组，从事切削加工预报模型的研究，为机械制造业提供切削参数，自1998年开始邀请世界著名研究机构加盟其切削数据库的研究与建立。
　　切削数据库的建立带来的经济效益是非常可观的。在CUTDATA建库的初期，就为工业部门节约了1.6亿美元。INFOS可使单件生产时间下降10%，生产成本下降10%。SWS经300多家企业应用，平均每年可节约工时15%～40%。据CIRP对切削数据库经济效益的调查表明，切削数据库可使加工成本下降10%以上。
/ A& i( ~. m8 X) s' H) h3 建立切削数据库的核心技术
　　切削数据库的建立包括结构设计和应用软件设计。切削数据库结构设计包括切削数据的采集、处理和评价，切削数据的建立，切削数据的优化，切削数据的输出和信息服务等功能。根据评价后切削数据的特征，可建立离散型切削数据库或浓缩型切削数据库。
! j3 t8 Z5 I( ?& J1 t　　离散型切削数据库的数据量十分庞大，涉及到切削方式、工件材料、刀具材料及其几何参数与结构、切削参数、切削液和机床等许多因素，以存储检索的方式管理该类数据。在数据库概念结构设计中，首先建立切削数据的(实体—关系)模型，然后进行逻辑结构设计和物理结构设计。离散型切削数据库中与切削数据有关的影响因素一般用代码表示，切削数据库里的关键字由影响切削数据选择的各代码叠加而成。因此，各种切削方式的关键字是不相同的，必须分别建立其相应的子库，这就是切削数据库的分库技术。各子库既要考虑它能在总控程序下运行，又要保证它能独立运行，它采用模块式结构建立。数据库内部各影响因素的表之间应建立参照完整性，父表与子表之间具有约束关系，对表进行修改(记录的插入、更新或删除)时，计算机自动对相应的表进行操作，免去重复操作和由此可能引起的错误。
' k" k. s7 n  V8 Y( H. j' y' r　　浓缩型切削数据库用于存储和管理各种切削数学模型的算式及其系数和指数、产生这些数学模型的切削加工条件等。
, `. R1 \$ e& |　　切削数据库的应用管理程序应能满足切削数据的输入、更新、删除、检索和输出等基本要求。目前，多采用窗口菜单显示技术，同时在程序编制中采用循环嵌套，使系统具有相当的容错和改错功能。为防止切削数据库系统被其他人员随便检索和修改，保证数据库的安全性，可对其访问进行控制及用户认证，只有输入正确的用户名及密码才可拥有数据库的使用权。
. j7 T: |3 w2 v1 _- n8 m　　4 切削数据库存在的问题及发展方向
　　建立切削数据库的根本目的是为生产实际服务，但已建立的切削数据库及工艺数据库，付诸实用的还不多，分析其原因是多方面的：①企业对切削数据库的重视不够；②数据的信息量还不够多，且尚未解决与CAPP、CAM等系统的联接问题；③关键的问题是现有切削数据库本身还存在一些问题，首先是切削数据的可靠性，由于数据的来源较多，有来自工厂的数据、实验室的数据，还有来自各种手册上的数据，这些数据应经过严格的分析、处理和评估，否则，其应用效果必然不佳。同时，还有计算机软件的问题，软件功能的强弱对数据库中数据作用的发挥至关重要。为了进一步促进切削数据库的应用，切削数据库正在向集成化、智能化、实用化和网络化方向发展。
+ `0 \. e- U5 M0 A% ^5 H/ h　　集成化
　　企业为了方便和准确地查询本企业的制造资源，需要建立制造资源数据库，它一般包括工艺基本定义和分类、机床设备、刀具、工艺装备、毛坯种类、材料牌号、材料规格、工艺规则库、工艺简图库、工艺参数库(切削参数、设备参数、工时定额表)和典型工艺库等。切削数据库与CAPP、CAD/CAM和 CIMS等联机，作为制造数据库的一部分，为这些自动化制造系统提供合理的切削加工数据，由切削数据中心向加工信息中心乃至生产信息中心发展，对加工过程中的规律、规则、数据和技术进行采集、评价、存储、处理及应用。因此，切削数据库对NC机床、加工中心及CAD、CAM、CAPP、CIMS等而言，是基础数据的提供者，是CAM、CAPP、GT等先进技术的基础。没有数据库的支持，就没有真正的计算机集成制造系统，所以集成化是切削数据库发展的必然趋势。
: E* h2 p0 D! `  w6 m　　意大利比萨大学开发的用于选择刀具的COATS系统，实现了与CAPP系统的联结，其输入数据来自CAPP的其他子系统。一些计算机辅助设计与制造软件开发商开发了一些切削数据库模块，如UGCAM中包含了一个功能强大的切削数据库，通过数据库的查询，可以定义工件材料、刀具材料、刀具尺寸参数以及切削方法等，并通过数据库的运算，获得主轴转速和进给速度的数据。UG CAM数据库由五个子库组成：工件材料库、刀具材料库、刀具尺寸参数库、切削方法库和切削速度库。UGCAM数据库的结构如图1所示。刀具材料分为五类：高速钢、无涂层整体硬质合金、无涂层可转位硬质合金、涂层可转位硬质合金及涂层高速钢。切削方法分为四类：立铣、开槽、面铣和侧铣。刀具类型有：立铣刀、面铣刀、T形铣刀、鼓形铣刀、UG5参数铣刀、UG7参数铣刀和UG10参数铣刀。工件材料类型有：碳素钢、合金钢、高速钢、不锈钢、工具钢、铝合金和铜合金。其他CAD/CAM软件，如Pro/E、MasterCAM、Cimatron等，也都开发了各自的切削数据库模块。
) Q/ I: r; y* l# g9 Y' l　智能化
　　传统开发的切削数据库和刀具管理系统所提供的数据，大多只是“静态”的原始数据，比较具体、确定，从根本上来说，只能算作电子手册，对于生产现场出现的种类繁多的加工方式、性能千变万化的工件材料和刀具材料，仅靠“静态”数据库往往难以解决。目前，切削数据库正朝着智能化方向发展，利用人工智能的方法来建立切削数据库，使其具有“动态”特性。由于数据库管理系统不能从存储的数据中进行逻辑推理或作启发性判断，因而存储数据的价值得不到充分发挥，而人工智能的优势却可以解决这一难题。把人工智能与切削数据库结合起来，可以解决切削数据库中一些难以解决的问题。智能化是20世纪80年代以来切削数据库研究的重点，也是切削数据库今后的发展方向。
( c( w% @6 h* F; n: o　　智能化就是将切削专家的经验，切削加工的某些一般规则与特殊规律存储在计算机中，实现运行与决策。很多切削技术及其专家的经验很难用严格的数学模型表达，如果将数据库与人工智能技术结合，则是解决这类问题的最好方法。
　　

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专家系统采用规则匹配推理，适于容易找到因果关系的领域，切削加工中的有些现象却很难用规律性的知识和因果关系来描述，规则匹配推理也需解决规则冲突问题。此外，还有利用人工神经网络、模糊算法、基因遗传算法等，用于切削数据的计算推理，英国开发了基于实例推理的智能磨削参数选择系统，山东大学正在开发基于实例推理的刀具材料与切削参数选择的高速切削数据库。
　　根据人工智能学说，智能系统的智能越高，系统开发的成本就越大，所以，智能化切削数据库的开发研究，应充分利用目前智能技术和信息科学等领域已有的科研成果，综合人与计算机的各自特点，从而开发出新型的智能切削数据库，以满足企业对切削数据合理使用的要求。
" t0 c' }2 ?, K, e! w' B6 Y　　实用化
　　通用切削数据库提供针对不同机床、不同切削方法、不同刀具材料的切削工艺参数，能够根据不同的加工条件，提供优化的刀具角度、切削速度、进给量等切削用量和切削液等一系列切削参数。但是，建立通用切削数据库是一项巨大的工程，要耗费大量的人力、物力和资金。作为一个公司、一个行业范围来说，它用到的刀具、工件材料是有限的，基本切削数据可以通过资料获得并经实践检验。因此，建立一个公司自己的数据库是有必要的，并且不会太困难。
2 A4 P+ t8 r+ }+ G: N　　许多刀具生产商和研究机构开发了计算机刀具数据管理(Tool Data Management，TDM)系统，如德国Walter公司的TDMeasy软件，向用户推荐该公司的各类刀具加工不同工件材料时的切削参数。 Walter公司的TDM刀具管理软件具有缩短计划时间、使调整时间和工序间断时间降至最低、减少刀具种类、促进刀具标准化、减少刀具库存，以及对刀具订货进行控制的功能等。SandvikCoromant公司开发的AutoTAS刀具管理软件，有11个集成模块。软件可为该公司提供3000多种刀具的 CAD模型(几何尺寸、检测、装配)，可自动选择该公司样本与电子样本中的刀具使用，提供各种刀具的库存位置、成本、供应商、切削性能、刀具寿命及要加工工件的信息。AutoTAS刀具管理软件还提供刀具库存管理、购买、统计分析，报表，刀具室计划与质量控制等功能。
　　Kennametal公司也开发了自己的刀具管理软件KATMS与ToolBoss。Datos计算机公司推出的刀具供应软件收录有30多种刀具，并提供大量的信息，本身计算出的或获取的切削数据可以集成在软件内。Mapal公司推出的全球刀具管理系统可为用户提供正确的刀具品种和数量，可为用户建立服务部，负责刀具的重磨、调整、发放等业务，帮助用户分析、评价加工过程等。Gunther公司和Seco公司的刀具电子样本可帮助用户正确选择和使用切削刀具。EMUGE FRANKEN公司的刀具电子样本可计算和分析加工成本，还可对多功能刀具(如钻-铣螺纹刀具)提供编程指南和G代码的运行程序。
　　德国CIM公司研制了金属切削刀具的电子信息系统(在CDROM盘上，一般称为CIMSOURCE)，包括世界17个主要刀具公司生产的 115000种以上的刀具数据。CIMSOURCE系统对刀具用户的服务，包括为刀具用户提供标准化图形、优化控制刀具业务和优化组织大批或成批的刀具供应。CIMSOURCE系统的电子目录可帮助用户了解世界刀具市场推出的品种繁多的产品，并可获得较深入的信息，以便进一步用来准备具体的加工工艺过程。刀具供应商采用CIMSOURCE系统，可保证做到：①精确、按时地将刀具提供给用户；②因供应的刀具是以电子产品形式的，故价格最佳；③可扩大市场和便于用户进入全球性贸易网络。
0 k$ i  l0 C, p  N% n　　国内许多研究机构和企业对刀具管理系统进行了研究开发，如国家“863”计划资助清华大学开发的面向CIMS的计算机辅助刀具管理系统，济南轻骑发动机厂开发的适合自己企业的计算机刀具管理系统等。西北工业大学还开发了14种常用钛合金的车削数据库。上海工业大学建立了一个适合石油行业的车削数据库。航空工业部进行了航空金属材料切削数据库的筹建工作。哈尔滨理工大学开发了PCBN 刀具切削数据库。山东大学正在筹建高速切削数据库和陶瓷刀具切削数据库及模具切削加工数据库。天津大学与汽车厂家合作，建立了一个针对汽车厂家使用的金属切削数据库。上海交通大学建立了旋转刀具/切削数据库。
1 N3 I5 }) m! @# ]1 w  S　　网络化
　　迅速发展的Internet技术，给切削数据库应用领域带来了新的活力，网络化强调数据交换和资源共享，将是未来切削数据库技术发展的主要趋势。
　　目前，世界著名刀具制造公司纷纷开设了自己的网站，通过访问这些网站，用户可以了解该公司的概貌、目前的生产科研情况、新产品目录、特点、报价和出版物等，有的还可以提供切削参数，有的可以下载软件，如下载刀具制造的标准程序和刀具选择软件，以及刀具CAD图纸等。如Guhring公司在网上提供免费的刀具管理软件。CIMSOURCE也已纳入Internet，并以对话方式工作，将全世界的用户联系起来，不断获取关于切削刀具的信息。 CIMSOURCE可帮助解决下列刀具制造和使用问题：切削刀具的选择、切削加工工艺、提供信息网络内的订单、刀具的图形信息、刀具的生产和刀具的出口数据。
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　　切削数据库在向着集成化、智能化、实用化和网络化方向发展的同时，一方面需要进行信息模型、数据模型、开发设计理论与模式等方面的基础性研究；另一方面还应进行切削数据的标准化工作，切削数据的标准化是切削数据库技术推广应用和稳定发展的保障。
$ d$ j9 ~; T3 p* w　　5 结论
/ x$ T- P4 h5 [) y( L+ X　　结合国内外切削数据库研究开发现状，本文分析了切削数据库研究及应用过程中存在的问题，着重探讨了切削数据库的发展趋势，指出了切削数据库的未来研究方向：切削数据库应向集成化、智能化、实用化和网络化方向发展；要开展切削数据库信息模型、数据模型、开发设计理论与模式等方面的基础性研究；同时，还应进行切削数据的标准化工作，切削数据的标准化是切削数据库技术推广应用和稳定发展的保障。