高性能陶瓷刀具数据库的构建

近年来，刀具行业的迅速发展产生了大量的刀具信息以及加工产生过程中的生产信息，此类信息的存储管理问题日益尖锐；同时，数据挖掘技术的兴起使传统切削行业对生产数据的利用提供了新的解决思路。各种现代制造技术（如FMS/CIMS/IMS/CAD/CAE等技术）、计算机技术的发展以及智能制造产业的飞速推进也需要切削数据库作为产业基础和重要组成部分。而切削数据库是切削加工数字化、网络化和智能化的基础，故切削数据库的搭建对切削加工行业的发展具有重要意义。因此，建立切削数据库是适应产业需求、扩大行业范围与推动技术发展必不可少的一步。

目前国内外陶瓷刀具的发展与应用突飞猛进，现代陶瓷刀具具备了高的耐热性、高硬度与耐磨性和优良的化学稳定性等优点，是切削加工中重要的刀具之一。在具备优良的切削性能的同时，陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝和氧化硅等是地壳中最丰富的元素，因此，开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有重要意义。陶瓷刀具的推广应用不仅能大幅提高切削加工生产率，也将极大促进先进制造技术的进步。陶瓷刀具属于高端刀具，其对使用条件有一定要求，合理选择陶瓷刀具对于提高加工效率、降低生产成本以及充分利用加工中心都具有重要意义。综合考虑切削加工发展趋势与陶瓷刀具的自身特点，推进陶瓷刀具使用，本课题组通过多年理论研究以及与企业合作研究的累积的实验数据的基础上，构建了一套有利于陶瓷刀具推广应用的切实可行的数据库。

高性能陶瓷刀具数据库的开发在Windows 10系统下完成，可适用于Windows 10系统平台，采用性能优异的C++语言编程，运用SQLite数据库存储数据 ，使用Qt Creator作为应用程序的开发框架。本文提出并实现了该系统的框架结构，完成了数据库的概念设计、逻辑结构设计以及应用程序的框架和详细设计。

1  数据库总体结构设计

在数据库功能需求分析的基础上，数据库的结构设计的主要依据包括：①根据刀具—工件材料在化学、物理和力学等方面的性能，获得刀具—工件材料的匹配；②根据刀具材料的特性，提出刀具材料与其几何形状的匹配关系，即刀具的牌号与型号的匹配；③根据金属切削原理，形成刀具、材料与工艺参数的匹配。

(1)数据库系统的功能模块分析

考虑实际生产需求，设计基于刀具—工件匹配的信息查询与管理功能；基于金属切削刀具寿命模型的加工工艺条件、参数与刀具寿命、机床功率和表面粗糙度之间的映射关系，设计工艺参数的预测功能，并由此拓展出工艺参数分析与优化功能。系统各功能模块的划分如图1所示。

图1  数据库功能模块

①信息查询模块。此模块的查询信息主要包括刀片、刀杆、刀具材料与工件材料。同时在系统的人机交互界面上提供参数对比的功能，通过柱状图表的形式对比查询信息的数据，便于更高效地选取所需的材料或刀具。

②计算功能模块。此模块为该系统的核心模块，用户能够根据选择的刀片、刀杆、工件材料、加工工艺和切削用量或刀具寿命来预测结果，如刀具寿命或切削速度、机床功率、表面粗糙度和金属去除率等。为适应加工环境中的不同情况，本系统在工艺参数计算模块中提供了三种不同的工艺路线：Ⅰ.刀片→刀杆→工件材料→切削用量→计算结果；Ⅱ.刀杆→刀片→工件材料→切削用量→计算结果；Ⅲ.工件材料→刀片→刀杆→切削用量→计算结果。以路线Ⅰ为例：确定刀片类型，选择与刀片可适配的刀杆，确定工件牌号，输入加工参数即可预测出刀具寿命和表面粗糙度等。该功能模块主要考虑用户使用陶瓷刀具可能出现的复杂需求，通过上述的工艺参数计算功能难以满足需求时，可以使用此功能，在刀具与材料均确定的情况下分析不同工艺参数之间的曲线关系。

③信息管理模块。数据库中的信息应根据实际情况随时进行调整，此模块的功能不仅包含数据信息的录入，同时还要实现对录入的刀片—刀杆、以及刀片—刀片牌号的自动匹配。

（2）数据库的概念结构设计

数据库涉及众多的工艺参数和刀具几何参数，其设计规划可抽象出以下实体对象：刀片材料、工件材料、加工精度、加工方式、刀杆和刀片。它们之间的关系及其属性（数据库E-R图）如图2所示。为避免ER图过于复杂，刀片信息—刀杆信息中属性关系表达见图3。各实体之间的关系约束相互串通，构成了数据库中的数据结构；其中，刀片材料受工件材料、加工精度与加工方式的多重约束，计算系数受工件材料与刀片材料的约束。计算系数中的各属性符号均与式 (1)、式(2)、式(3)和式(4)中的参数符号相对应。

图2  数据库总体E-R

图3  刀片—刀杆属性关系

（3）数据库的逻辑结构设计

将概念结构设计中抽象出来的实体与联系转化为所选用的数据库管理系统（DBMS）所支持的数据模型和逻辑结构，并形成数据库中具体的表格信息与表格之间的关系。在数据库表格结构的设计过程中，基于材料的化学、力学和物理性能，构建了刀具—工件的匹配原则，刀片—刀杆的型号匹配以及计算模型中所需的计算参数与加工工艺之间的匹配，其数据表格包括：

①工件材料表：材料类别、牌号、强度、硬度、密度；

②刀具材料表：材料牌号、组分、密度、硬度、抗弯强度、断裂韧性、磨损系数；

③刀片型号表：刀片型号、刀片牌号、形状、公差等级、断屑槽、夹固形式、刀尖半径、后角、刃长、厚度、刃口形式；

④刀杆型号表：刀杆型号、刀片型号、左右手、刀柄类型、主偏角、夹紧方式、刀柄宽度、刀柄高度、刀柄长度、刀片形状、刀片刃长；

⑤计算系数表：刀片材料牌号、工件材料牌号、CT、CP、x、y、z、m。

2  工艺参数计算模型

计算模块采用金属切削原理刀具寿命及其修改模型，数据来源于本课题组与企业合作研究积累的大量数据。

刀具寿命计算公式为

式中，T为刀具寿命（刀具耐用度）（min）；CT为刀具耐用度系数，与刀具、工件材料和切削条件有关；x，y，z为指数，分别表示切削用量对刀具耐用度的影响的程度。

金属去除率计算公式为

式中，Q为金属去除率（cm³/min）。

机床功率计算公式为

式中，Pc为机床功率（kW）；CP为机床功率系数；κr为主偏角（°）；γ0为刀具前角（°）。

工件加工表面粗糙度计算公式为

式中，Rt为表面粗糙度（μm）；Re为刀尖圆角半径（mm）。

计算式(1)、式(2)、式(3)和式(4)中所涉及的CT、CP、x、y、z、m等参数，通过切削手册、文献以及试验等方法确定，并存储在数据库中。

3  应用程序结构设计

依据数据库的总体结构和计算模型，开发了应用程序， 实现了切削性能的预报功能、复杂的工艺参数计算分析功能、刀具与材料信息的查询与管理功能。

（1）应用程序总体结构设计

在数据库模型与经验模型的基础上，应用程序结构与数据流程如图4所示。各模块均以人机交互界面为基础，根据用户输入的指令执行相应的功能。系统中各模块的功能和数据相对独立，耦合度较低。

输入切削用量、刀具几何参数和各种计算系数，可根据工艺条件查询数据库中对应条件的刀具和计算参数，将计算公式中的所有初始值补充完成即可执行计算并输出结果。

信息管理模块中针对不同的输入信息所执行信息管理命令不同。刀具材料与工件材料的信息结构相对简单，管理也相对方便，仅涉及对相应材料信息的增、删、改、查功能。但对于刀片—刀杆的型号和几何参数信息较为复杂，管理该信息时不仅需实现对参数信息的管理，同时也要实现刀片—刀杆型号的匹配和刀片型号—刀片牌号的匹配，新录入的信息能够在查询功能中显示。刀片—刀杆型号的匹配根据两者的几何形状与压紧方式等信息实现匹配，刀片型号—刀片牌号之间的匹配由用户在录入信息时从数据库已存在的刀片牌号中选择。

图4  数据库程序结构

（2）应用程序的设计

数据库系统的开发采用C++语言，程序框架为Qt Creator，根据C++语言面向对象编程的特性，在数据库和应用程序总体结构设计的基础上对程序类图进行构建，如图5所示。程序的类图设计中主要分为（a）和（b）两部分：（a）部分对应计算功能模块的程序设计；(b)部分对应信息查询与信息管理模块的程序设计。在（a）部分中，主界面类将用户选择与输入的工艺条件与参数传递到计算参数类，借助参数查询类的接口将计算参数类中的计算信息补全。计算分析界面是主界面所选刀具、工件材料与工艺条件按固定条件进行，所以在类图设计时需使计算分析类继承自工艺参数计算类，并在此基础上进行扩充。图5中（b）部分的查询界面类与信息管理界面类均从属于主界面，查询功能的实现相对简单，仅需根据界面所选的条件进行查询并显示。在信息管理功能中，刀具材料—刀具型号信息在数据库中进行管理时需考虑刀片型号—刀片牌号、刀片型号—刀杆型号的匹配关系，因此在数据库中进行操作时，要先对将要管理的数据进行预处理，然后通过数据库操作接口实现管理功能。数据库操作接口是在查询类的基础上扩充了增、删、改等功能。

图5  程序总体结构类图

（3）应用程序效果展示

图6为程序的主界面，能够实现工艺参数计算。图7主要实现工艺参数计算分析，即在主界面选定刀具、工件材料与工艺条件后，进一步进行切削工艺参数的数值分析，解决用户实际可能出现的复杂实际需求，对应了图5中（a）部分的设计。

图6  程序主界面

图7  程序计算分析界面

小结

本文通过运用金属切削基本原理模型，考虑刀具材料—工件材料的适配性并充分与实际生产环境结合，建立了适用于陶瓷刀具推广应用的专用切削数据库系统。系统中的核心功能为工艺参数的计算与分析，辅以刀具与材料信息的查询和管理功能。在计算功能模块中提供了对刀具寿命、切削速度、机床功率、金属去除率、表面粗糙度的预测功能以及工艺参数之间数值分析，并展示了相关参数的曲线关系，为生产中刀具的高可靠性使用以及陶瓷刀具进一步推广应用提供了解决方法。信息查询与管理功能大大提高了刀具、材料等信息的使用和处理效率。

（工具技术 王俊成 ）

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