近年來益缎，刀具行業(yè)的迅速發(fā)展產(chǎn)生了大量的刀具信息以及加工產(chǎn)生過程中的生產(chǎn)信息遇伞，此類信息的存儲(chǔ)管理問題日益尖銳掂名；同時(shí)夭咬，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的興起使傳統(tǒng)切削行業(yè)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的利用提供了新的解決思路啃炸。各種現(xiàn)代制造技術(shù)（如FMS/CIMS/IMS/CAD/CAE等技術(shù)）、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及智能制造產(chǎn)業(yè)的飛速推進(jìn)也需要切削數(shù)據(jù)庫(kù)作為產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和重要組成部分卓舵。而切削數(shù)據(jù)庫(kù)是切削加工數(shù)字化南用、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的基礎(chǔ)，故切削數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建對(duì)切削加工行業(yè)的發(fā)展具有重要意義秫废。因此末径，建立切削數(shù)據(jù)庫(kù)是適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求、擴(kuò)大行業(yè)范圍與推動(dòng)技術(shù)發(fā)展必不可少的一步情丛。

目前國(guó)內(nèi)外陶瓷刀具的發(fā)展與應(yīng)用突飛猛進(jìn)肉棕，現(xiàn)代陶瓷刀具具備了高的耐熱性、高硬度與耐磨性和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)暂铭，是切削加工中重要的刀具之一披腻。在具備優(yōu)良的切削性能的同時(shí)，陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化鋁和氧化硅等是地殼中最豐富的元素底咳，因此唱撩，開發(fā)和使用陶瓷刀具，對(duì)節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬具有重要意義珍霉。陶瓷刀具的推廣應(yīng)用不僅能大幅提高切削加工生產(chǎn)率殃倒，也將極大促進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步。陶瓷刀具屬于高端刀具嘿杖，其對(duì)使用條件有一定要求梁泞，合理選擇陶瓷刀具對(duì)于提高加工效率、降低生產(chǎn)成本以及充分利用加工中心都具有重要意義趾痘。綜合考慮切削加工發(fā)展趨勢(shì)與陶瓷刀具的自身特點(diǎn)慢哈，推進(jìn)陶瓷刀具使用，本課題組通過多年理論研究以及與企業(yè)合作研究的累積的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上永票，構(gòu)建了一套有利于陶瓷刀具推廣應(yīng)用的切實(shí)可行的數(shù)據(jù)庫(kù)卵贱。

高性能陶瓷刀具數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)在Windows 10系統(tǒng)下完成，可適用于Windows 10系統(tǒng)平臺(tái)瓦侮，采用性能優(yōu)異的C++語(yǔ)言編程，運(yùn)用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 佣谐，使用Qt Creator作為應(yīng)用程序的開發(fā)框架肚吏。本文提出并實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，完成了數(shù)據(jù)庫(kù)的概念設(shè)計(jì)狭魂、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序的框架和詳細(xì)設(shè)計(jì)罚攀。

1  數(shù)據(jù)庫(kù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)功能需求分析的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)包括：①根據(jù)刀具—工件材料在化學(xué)雌澄、物理和力學(xué)等方面的性能斋泄，獲得刀具—工件材料的匹配；②根據(jù)刀具材料的特性，提出刀具材料與其幾何形狀的匹配關(guān)系癌蚂，即刀具的牌號(hào)與型號(hào)的匹配渴肿；③根據(jù)金屬切削原理，形成刀具在策、材料與工藝參數(shù)的匹配肥爵。

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的功能模塊分析

考慮實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)基于刀具—工件匹配的信息查詢與管理功能敌灰；基于金屬切削刀具壽命模型的加工工藝條件舶抚、參數(shù)與刀具壽命、機(jī)床功率和表面粗糙度之間的映射關(guān)系甥晦，設(shè)計(jì)工藝參數(shù)的預(yù)測(cè)功能寄硬，并由此拓展出工藝參數(shù)分析與優(yōu)化功能。系統(tǒng)各功能模塊的劃分如圖1所示敢亥。

圖1  數(shù)據(jù)庫(kù)功能模塊

①信息查詢模塊响徒。此模塊的查詢信息主要包括刀片、刀桿惭舒、刀具材料與工件材料晒来。同時(shí)在系統(tǒng)的人機(jī)交互界面上提供參數(shù)對(duì)比的功能，通過柱狀圖表的形式對(duì)比查詢信息的數(shù)據(jù)郑现，便于更高效地選取所需的材料或刀具湃崩。

②計(jì)算功能模塊。此模塊為該系統(tǒng)的核心模塊接箫，用戶能夠根據(jù)選擇的刀片攒读、刀桿、工件材料辛友、加工工藝和切削用量或刀具壽命來預(yù)測(cè)結(jié)果薄扁，如刀具壽命或切削速度、機(jī)床功率废累、表面粗糙度和金屬去除率等邓梅。為適應(yīng)加工環(huán)境中的不同情況，本系統(tǒng)在工藝參數(shù)計(jì)算模塊中提供了三種不同的工藝路線：Ⅰ.刀片→刀桿→工件材料→切削用量→計(jì)算結(jié)果邑滨；Ⅱ.刀桿→刀片→工件材料→切削用量→計(jì)算結(jié)果日缨；Ⅲ.工件材料→刀片→刀桿→切削用量→計(jì)算結(jié)果。以路線Ⅰ為例：確定刀片類型掖看，選擇與刀片可適配的刀桿匣距，確定工件牌號(hào)，輸入加工參數(shù)即可預(yù)測(cè)出刀具壽命和表面粗糙度等馁捌。該功能模塊主要考慮用戶使用陶瓷刀具可能出現(xiàn)的復(fù)雜需求梗药，通過上述的工藝參數(shù)計(jì)算功能難以滿足需求時(shí)傀脑，可以使用此功能，在刀具與材料均確定的情況下分析不同工藝參數(shù)之間的曲線關(guān)系自凛。

③信息管理模塊茅苏。數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，此模塊的功能不僅包含數(shù)據(jù)信息的錄入癞糙，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)對(duì)錄入的刀片—刀桿稻嘱、以及刀片—刀片牌號(hào)的自動(dòng)匹配。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)涉及眾多的工藝參數(shù)和刀具幾何參數(shù)伦朵，其設(shè)計(jì)規(guī)劃可抽象出以下實(shí)體對(duì)象：刀片材料罢令、工件材料、加工精度暑赏、加工方式媒埃、刀桿和刀片。它們之間的關(guān)系及其屬性（數(shù)據(jù)庫(kù)E-R圖）如圖2所示贼穆。為避免ER圖過于復(fù)雜题山，刀片信息—刀桿信息中屬性關(guān)系表達(dá)見圖3。各實(shí)體之間的關(guān)系約束相互串通故痊，構(gòu)成了數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顶瞳；其中，刀片材料受工件材料愕秫、加工精度與加工方式的多重約束慨菱，計(jì)算系數(shù)受工件材料與刀片材料的約束。計(jì)算系數(shù)中的各屬性符號(hào)均與式 (1)戴甩、式(2)符喝、式(3)和式(4)中的參數(shù)符號(hào)相對(duì)應(yīng)。

圖2  數(shù)據(jù)庫(kù)總體E-R

圖3  刀片—刀桿屬性關(guān)系

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抽象出來的實(shí)體與聯(lián)系轉(zhuǎn)化為所選用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）所支持的數(shù)據(jù)模型和邏輯結(jié)構(gòu)甜孤，并形成數(shù)據(jù)庫(kù)中具體的表格信息與表格之間的關(guān)系协饲。在數(shù)據(jù)庫(kù)表格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，基于材料的化學(xué)缴川、力學(xué)和物理性能茉稠，構(gòu)建了刀具—工件的匹配原則，刀片—刀桿的型號(hào)匹配以及計(jì)算模型中所需的計(jì)算參數(shù)與加工工藝之間的匹配把夸，其數(shù)據(jù)表格包括：

①工件材料表：材料類別扑姆、牌號(hào)、強(qiáng)度哭练、硬度外秋、密度米法；

②刀具材料表：材料牌號(hào)僧憾、組分奈株、密度、硬度荐呵、抗彎強(qiáng)度稿焚、斷裂韌性、磨損系數(shù)蔬聚；

③刀片型號(hào)表：刀片型號(hào)用动、刀片牌號(hào)、形狀墙违、公差等級(jí)征蜻、斷屑槽、夾固形式诽表、刀尖半徑唉锌、后角、刃長(zhǎng)竿奏、厚度袄简、刃口形式；

④刀桿型號(hào)表：刀桿型號(hào)泛啸、刀片型號(hào)绿语、左右手、刀柄類型候址、主偏角吕粹、夾緊方式、刀柄寬度宗雇、刀柄高度昂芜、刀柄長(zhǎng)度、刀片形狀赔蒲、刀片刃長(zhǎng)泌神；

⑤計(jì)算系數(shù)表：刀片材料牌號(hào)、工件材料牌號(hào)库樊、CT棠裹、CP、x数壤、y效迹、z、m趣闻。

2  工藝參數(shù)計(jì)算模型

計(jì)算模塊采用金屬切削原理刀具壽命及其修改模型啰蕴，數(shù)據(jù)來源于本課題組與企業(yè)合作研究積累的大量數(shù)據(jù)。

刀具壽命計(jì)算公式為

式中存学，T為刀具壽命（刀具耐用度）（min）码承；CT為刀具耐用度系數(shù)凄跑，與刀具、工件材料和切削條件有關(guān)城离；x炭刺，y，z為指數(shù)娜食，分別表示切削用量對(duì)刀具耐用度的影響的程度煮落。

金屬去除率計(jì)算公式為

式中，Q為金屬去除率（cm³/min）踊谋。

機(jī)床功率計(jì)算公式為

式中蝉仇，Pc為機(jī)床功率（kW）；CP為機(jī)床功率系數(shù)殖蚕；κr為主偏角（°）量淌；γ0為刀具前角（°）。

工件加工表面粗糙度計(jì)算公式為

式中嫌褪，Rt為表面粗糙度（μm）呀枢；Re為刀尖圓角半徑（mm）。

計(jì)算式(1)笼痛、式(2)裙秋、式(3)和式(4)中所涉及的CT、CP缨伊、x摘刑、y、z刻坊、m等參數(shù)枷恕，通過切削手冊(cè)、文獻(xiàn)以及試驗(yàn)等方法確定易祖，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中遵艰。

3  應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的總體結(jié)構(gòu)和計(jì)算模型，開發(fā)了應(yīng)用程序悍写， 實(shí)現(xiàn)了切削性能的預(yù)報(bào)功能电摔、復(fù)雜的工藝參數(shù)計(jì)算分析功能、刀具與材料信息的查詢與管理功能暴艘。

（1）應(yīng)用程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上稀崔，應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程如圖4所示。各模塊均以人機(jī)交互界面為基礎(chǔ)柬沾，根據(jù)用戶輸入的指令執(zhí)行相應(yīng)的功能泉剔。系統(tǒng)中各模塊的功能和數(shù)據(jù)相對(duì)獨(dú)立，耦合度較低。

輸入切削用量假却、刀具幾何參數(shù)和各種計(jì)算系數(shù)橄文，可根據(jù)工藝條件查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)條件的刀具和計(jì)算參數(shù)，將計(jì)算公式中的所有初始值補(bǔ)充完成即可執(zhí)行計(jì)算并輸出結(jié)果像捶。

信息管理模塊中針對(duì)不同的輸入信息所執(zhí)行信息管理命令不同。刀具材料與工件材料的信息結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單桩砰，管理也相對(duì)方便拓春，僅涉及對(duì)相應(yīng)材料信息的增、刪亚隅、改硼莽、查功能。但對(duì)于刀片—刀桿的型號(hào)和幾何參數(shù)信息較為復(fù)雜煮纵，管理該信息時(shí)不僅需實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)信息的管理懂鸵，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)刀片—刀桿型號(hào)的匹配和刀片型號(hào)—刀片牌號(hào)的匹配，新錄入的信息能夠在查詢功能中顯示行疏。刀片—刀桿型號(hào)的匹配根據(jù)兩者的幾何形狀與壓緊方式等信息實(shí)現(xiàn)匹配匆光，刀片型號(hào)—刀片牌號(hào)之間的匹配由用戶在錄入信息時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)已存在的刀片牌號(hào)中選擇。

圖4  數(shù)據(jù)庫(kù)程序結(jié)構(gòu)

（2）應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開發(fā)采用C++語(yǔ)言酿联，程序框架為Qt Creator终息，根據(jù)C++語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊痰奶匦裕跀?shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)程序類圖進(jìn)行構(gòu)建贞让，如圖5所示艺滑。程序的類圖設(shè)計(jì)中主要分為（a）和（b）兩部分：（a）部分對(duì)應(yīng)計(jì)算功能模塊的程序設(shè)計(jì)；(b)部分對(duì)應(yīng)信息查詢與信息管理模塊的程序設(shè)計(jì)砰染。在（a）部分中跳犹，主界面類將用戶選擇與輸入的工藝條件與參數(shù)傳遞到計(jì)算參數(shù)類，借助參數(shù)查詢類的接口將計(jì)算參數(shù)類中的計(jì)算信息補(bǔ)全标增。計(jì)算分析界面是主界面所選刀具玻冗、工件材料與工藝條件按固定條件進(jìn)行，所以在類圖設(shè)計(jì)時(shí)需使計(jì)算分析類繼承自工藝參數(shù)計(jì)算類杠卜，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充道婚。圖5中（b）部分的查詢界面類與信息管理界面類均從屬于主界面，查詢功能的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單仪但，僅需根據(jù)界面所選的條件進(jìn)行查詢并顯示潦博。在信息管理功能中，刀具材料—刀具型號(hào)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行管理時(shí)需考慮刀片型號(hào)—刀片牌號(hào)呀净、刀片型號(hào)—刀桿型號(hào)的匹配關(guān)系竖怯，因此在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行操作時(shí)，要先對(duì)將要管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理好猪，然后通過數(shù)據(jù)庫(kù)操作接口實(shí)現(xiàn)管理功能胀茵。數(shù)據(jù)庫(kù)操作接口是在查詢類的基礎(chǔ)上擴(kuò)充了增社露、刪、改等功能琼娘。

圖5  程序總體結(jié)構(gòu)類圖

（3）應(yīng)用程序效果展示

圖6為程序的主界面峭弟，能夠?qū)崿F(xiàn)工藝參數(shù)計(jì)算。圖7主要實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)計(jì)算分析脱拼，即在主界面選定刀具瞒瘸、工件材料與工藝條件后，進(jìn)一步進(jìn)行切削工藝參數(shù)的數(shù)值分析熄浓，解決用戶實(shí)際可能出現(xiàn)的復(fù)雜實(shí)際需求情臭，對(duì)應(yīng)了圖5中（a）部分的設(shè)計(jì)。

圖6  程序主界面

圖7  程序計(jì)算分析界面

小結(jié)

本文通過運(yùn)用金屬切削基本原理模型赌蔑，考慮刀具材料—工件材料的適配性并充分與實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境結(jié)合俯在，建立了適用于陶瓷刀具推廣應(yīng)用的專用切削數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的核心功能為工藝參數(shù)的計(jì)算與分析娃惯，輔以刀具與材料信息的查詢和管理功能跷乐。在計(jì)算功能模塊中提供了對(duì)刀具壽命、切削速度罗迎、機(jī)床功率蒙亦、金屬去除率、表面粗糙度的預(yù)測(cè)功能以及工藝參數(shù)之間數(shù)值分析礼文，并展示了相關(guān)參數(shù)的曲線關(guān)系离饺，為生產(chǎn)中刀具的高可靠性使用以及陶瓷刀具進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了解決方法。信息查詢與管理功能大大提高了刀具繁惦、材料等信息的使用和處理效率疼尺。

（工具技術(shù) 王俊成 ）

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