浅议车床类刀具综合可调功能各方面的关联性分析与挖掘技术

范亚炯杨 芸于 帆

浅议车床类刀具综合可调功能各方面的关联性分析与挖掘技术

范亚炯
杨 芸
于 帆

上海敖智信息科技有限公司南京能新电力高科实业有限公司兰州电务段

从不可调刀具延续刀具使用寿命和延伸刀具工艺加工性能的单维事务功能内部参数的关联，扩展到刀具综合可调功能各方面事物间的多维关联，表示了刀具使用寿命多方面的有效延续与加工工艺的集成与拓展。以刀具综合可调功能模块为挖掘工具，能开拓刀具设计与应用的开放创新平台，保证了制造业集约化、绿色化环保的时代需求，无疑将是我国现代制造业的核心技术。

随着生产加工过程数控化和自动化的发展需要 ,为保证现代制造业“优质、高效、节能、低耗和环保”的新需求，对金属切削刀具也提出了“高可靠度、高精度、长寿命、快速转位更换、断屑良好”等集约化、绿色化的更高标准，使刀具技术不断创新发展。而车床类刀具的综合可调功能，使刀具可转位刀片多方位不重复转位、几何参数（包括修光刃、断屑槽参数）可调 、刃部重磨预留尺度可调（侧重精磨）、刀片不拘几何形状（内接圆半径额定在一定范围内）多品种调换等使用功能，能在刀具全生命周期内发生关联。即：一个功能事件发生后，在相应值域内能引起另外一些功能事件的发生。挖掘这几个变量在相应值阈内的相互关系与规则 ，能有效掌控综合可调性能在刀具全生命周期的不同功能的优化数据流。数为变量来进行优化选择的层面，从而造成许多高档数控机床、先进刀具无法发挥其潜力，严重制约了加工效率的提高、质量的有效保证。因此，从深入推广高速切削技术的角度出发，应突破传统意义上的切削参数（切削用量）优化理念，综合考虑机床、刀具、切削用量、数控编程、冷却润滑等关键技术问题的影响，系统考虑高速切削参数的优化问题”。这样建立刀具全生命周期管理平台（Product Lifecycle Management）并挖掘刀具综合可调功能各方面关联技术，延长并扩展刀具的使用寿命与工艺加工性能，就能在大量各种工件材料和各种加工特征的基础上，挖掘出有使用价值的管理与操作规则，并围绕由刀具和切削参数所确定的切削工艺规划的核心步骤,为客户提供有针对性的工艺方案并解决技术服务问题。

一、刀具全生命周期管理平台与挖掘关联技术

1.加工系统多目标优化与刀具综合可调功能各方面事物的关联性

这种新需求与新标准，要求我们必须解决刀具应用工程系统各方面与加工参数多目标优化的关联问题。由于“对高速切削技术的基础问题缺乏系统全面的认识，在高速切削参数的优化选择方面，国内诸多用户企业仍停留在以切削速度、进给量、背吃刀量三个主要切削参

确定刀具和切削参数一般多从零件材料角度出发考虑,但不考虑加工系统多目标优化的系统性，则可能导致工件与刀具不完全匹配 。因而结合自动化生产线的各自特征，以及流程关键节点关联规则与兴趣度的不同，及时挖掘刀具综合可调功能各方面与参数的关联技术，实际就表达了不同工艺过程的有效关联，并能在工艺决策的最高层面，以最经济、直接的方法，改变不可调焊接刀具的低效、盲目和粗浅的工艺理念和操作程序，以及可转位刀具仅适应少品种、大批量生产的局限性。

可转位不重磨技术的推广应用，并未完全改变不可调刀具品种与类型繁多的结构状态，给刀具CAD/CAM技术的应用和发展以及机械加工和刀具设计人员合理选择刀具仍带来一定困难。同时，刀片型号的增加也给刀片采购和销售带来不便 ,为用户快速、高效及正确选择刀具增加困难。因而，要求在切削加工中 ,能根据不同加工特征和综合可调功能各方面的关联规则简便、快捷地选择所需刀具和切削参数，对实现高度自动化切削加工有着十分重要的意义。

2.现切削数据库的缺陷与挖掘技术

目前，不可调刀具切削数据库系统可以高效地实现数据的录入、查询、统计等功能，但其作用仅是面向工艺事务处理的联机系统应用，无法发现数据中存在的动态关系和规则，无法根据现有的数据来分析并预测未来工艺决策与核心工艺技术的发展趋势。缺乏挖掘数据关联规则的技术手段，导致了 不可调刀具“数据爆炸但关联知识贫乏”的现象。而刀具综合可调功能的挖掘技术，可以较好地解决这个问题。

该数据挖掘（Date Mining）就是从不可调刀具大量的、局部的、有噪声的、模糊的数据中，提取隐含在其中具有可调动态优化信息与知识的过程。因为，现加工参数优化模型多数是对切削速度、切削深度、进给量等工艺参数进行优化，其研究背景主要针对一台机床与一种工件材料，使得优化模型的实用功能受到很大限制。这主要受制于不可调刀具几何参数优化静态保守性与局限性。刀具综合可调性能实际表达了刀具面向产品族的模块化设计和制造工艺的聚类分析，将刀具各种使用性能进行相应归类、综合与有效合作就成为工艺集成的动态优化特征。

3.现代制造业集约化综合需求与刀具功能的关联特征

切削参数优化空间的进一步拓展，不管是单向目标向多目标延伸、优化算法由离线调整向在线自适应控制拓展、优化目标由定参数向变参数拓展，还是由确定型向模糊化拓展，都说明了应对可调式刀具的综合可调功能各方面的关联性，即延续刀具使用寿命与提高其工序能力指数、拓展其工艺加工性能的各功能事务的相关兴趣度做系统的深入调研与推广、应用。不可调刀具技术使延续刀具使用寿命、拓展其工艺加工深度与宽度的性能关联度很小或为零，完全割离了转位与重磨功能的关联，使得重磨与转位的技术均得不到提高，也使刀片的调换只能局限在同一型号（内接圆半径不变）、不同材质的一维性能参数范围内。说明其功能只是参数静态优化功能的延伸，需要向变参数的动态优化功能拓展。

4.工艺集成的有序功能规则

这种拓展表示了刀具综合可调功能随加工条件的变化状态，为方便、准确地查询本企业的制造资源，而建立的一种有序功能规则，能将IT系统各个方面所生成的数据不在受限于各自系统内，并在刀具生命周期平台上，让有效一致的合作成为可能。因而，挖掘其各方面功能的关联数据并与CAPP、CAD/CAM和 CIMS等联机，实际是对加工过程中的规律、规则、数据和技术进行采集、评价、存储、处理及应用的过程。例如：刀片多方位不重复转位功能近表示了工艺性能的拓展与延伸，可调与重磨表示了工艺加工能力的有效完善与延续、刀片的多品种调换则进一步表示了不同车削加工特征的集中加工能力，因而，其综合功能对切削过程的优化，以及缩短制造企业75%的无效时间（Downtime），整个自动化生产的效率、集约化、绿色化的提高都有积极的意义。缺乏刀具综合可调功能，不扩展其功能事物间关联技术，就不能适应工艺加工系统深度与宽度进一步综合与优化的要求，所造成大量资源的积压与浪费是不容忽视的。

二、刀具综合可调功能各方面事物的关联技术分析

现不可调刀具品种、类型庞杂，品种与类型的相关性具均不强，各数据分散在不同类型与不同层次的各类文件与操作过程中，具有相当程度的分散性 。应进行相关的关联分析与技术创新。

1.刀具几何参数选择的优先项

一把完整刀具的形状与结构，是由一套系统的刀具几何参数决定的，刃口各参数之间不可能相互独立地存在，有着相互依赖、相互制约的作用。但其属性各不相同，例如：主偏角与刃倾角决定了主切削刃的空间位置，不管加工条件如何变化，主切削刃的这种属性是不会改不安的，是其绝对属性、关联规则的前项。这不仅是因工件的材料性质而定，也与工件的工艺特征相关联。而主前角与主后角决定了前面与后面的空间位置，副偏角与副后面决定了副后面的位置，其参数的变化只有在与主切削刃定位后作相关性分析时，才能表现出来，只是主切削刃的关系属性 。 切削加工系统是一个十分复杂的动态过程，采用模糊方法建立的监测模型，及时调整主偏角及其后项参数的关联规则，才能适应刀具工艺参数的变化，突出其系统几何参数的侧重面并满足优化目标，适应处理非线性工况，具有较好鲁棒性。

2.聚类分析与调整功能

同一加工特征因主偏角不同，需设置2-4种不同类型刀具，不同加工特征的工件所需刀具组合的总数，将非常繁杂。因而，发现相近之间数据间的关联规则，并进行分组与适时调整，就能为不可调刀具类型与品种的精简，工序操作程序的集成，提供简便、快捷的高效原则。如下表所示：

车削加工特征及与刀具主偏角的对应表

因而，根据不同加工特征，可调刀具主偏角参数在其初相角的正负相近参数值域内的可调设计、是关系到刀具使用寿命有效延续问题与工艺性能拓展核心技术的首要问题。

3.重磨关联技术分析

焊接刀具刃磨成形后，重磨后刀面是其延续使用寿命的主要技术措施，也可在刀片与刀头连接强度与尺寸允许的范围内适当改变主偏角与前后角数值，使刀具有一定的适应加工条件变化的柔性工艺加工性能。但技术的经验性与粗糙性强，且不可靠。可转位刀具刀片的转位与调换功能，改变了焊接刀具的诸多缺陷，是延续刀具使用寿命的一种有效技术措施，诸多技术特点主要适应少品种大批量生产类型，缺点却以牺牲产品的多样性为代价，刀具的品种、类型并未完全适应多品种、小批量的生产类型，浪费也严重。

20世纪六七十年代，硬质合金可转位刀具技术已在我国推广应用，为降低刀具费用，不久便在各地兴起对刀片正常磨损后的重磨，支持度较高的是刀台主副后刀面，给刀片重磨刀片主副后刀面让出0.8mm宽的预留空间，如刀片每边一次的刃磨量为0.15—0.25mm，可刃磨3次。如果让出1—1.5mm宽的预留空间，重磨4-5次也可行，但现可转位刀具的夹紧机构无此二维可调夹紧功能，加之断屑槽参数的减少量并超过边界值，断屑状况恶劣无相应的调整机构，只能报废。可转位刀具不可调结构功能的约束，使其重磨技术含量得不到提高，兴趣度不强，工艺加工性能只是静态的延伸。

这不符合大批量生产的同时也要求高效（fLexibity）和敏捷性（Agility）,实现柔性化的要求。因而，有效延长刀具的使用寿命，增添其工艺加工性能，挖掘刀具综合可调功能各方面事务关联性技术就显得必要与迫切，例如：重磨预留可调功能的扩展，必使其与不同品种刀片的调换（内接圆半径额定在一定范围内）相关联，从而使其具有不同的主偏角初相角，并能在其相近参数范围内正负变化，进而使刀具主偏角能在较大范围内变化，可调式刀具综合工具系统（发明专利号：20130171116.7）所描述刀具刀头压板可配合装卸80°菱形、55°菱形、35°菱形各种形状刀片，主偏角能在45°范围内调整、变化，能根据精加工要求调整修光刃前角与刃倾角，进一步了提高加工精度与超精密工艺能力，也能调整刃部的断屑宽度，增强了刀具有效控断屑、流泄的功能。这体现了5种不同类型的（车床类刀具的主偏角分别为30°、45°、60°、75°、90°）的刀具，4类加工材料加工参数特性，就表示了20余种工步的集成。由于刀片调整与调换的可得性强，显著优化了刀具几何参数与工艺参数的管理。

4.刀具新需求案例分析

大批量生产仍然是现如今取得经济效益的一个重要模式，但需要提高生产过程的集约化、绿色化内涵。在切削加工领域，主要是通过提高刀具寿命、选用新型刀具材料、降低刀具组成材料的消耗、降低切削功率消耗、减少或取消切削液的使用、简化工艺系统的组成要素等形成 。刀具综合可调功能的模块化及所挖掘的新关联知识，为解决这一系列问题提供了有效途径，例如：

新型可调重型车刀的加工与工具系统的设计，就综合考虑了降低刀具材料消耗、使用能耗、涂层、环保等新需求，通过该系统刀具的综合可调功能各方的有机配合，解决了银白屑切削粗加工与半精加工，半精加工与超精密加工的工艺集成，以及干湿、半干湿加工等绿色加工的具体问题 。

车床类带修光刃的的大进给精加工可调式刀具通过刀具综合可调功能各方面的关联性，进行刀具修光刃的可调设计，对修光刃包括相关几何参数（刀尖圆弧半径及其修正主偏角、排屑角、刃口前后角、斜角、有效长度）进行了调整与优化，达到精密和超精密加工的高效质量要求，也是具体的案例。

5.切削数据库发展与模块化设计的驱动力

企业制造资源数据库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。而切削数据库中刀具综合可调功能各方面的关联规则，与CAPP、CAD/CAM和 CIMS等联机，表示了综合可调功能根据企业制造资源变化状态为自动化制造系统提供合理的动态切削加工数据，是切削数据中心向加工信息中心乃至生产信息中心发展的一设计驱动力。

“组成刀具可调功能构件模块化并结合为统一模块的归类过程 ”，映射了制造资源与刀具工艺集成技术的关联规则，表现在综合可调各方面功能对加工过程中的动态适应特征与技术要求所进行切削数据的采集、评价、存储、处理及应用过程。没有这种模块化综合可调功能的驱动力，就不可能脱离不可调刀具所形成的静态工艺决策，进入高层动态决策的工艺分析系统。关联原则表示某方面功能事件的发生而引起另外一些事件的发生，在工艺决策系统、专家系统和智能信息等方面能起到重要的作用。所以，取之航空制造网的切削数据库基础业务模型实是切削参数可调变化的映射初始模型 （见下图）。

6.开放创新的模式

刀具综合可调功能实际是车床类刀具在其应用工程系统内，从大量经验与实验数据中，有效提取出来的延长刀具使用寿命、提高工序能力指数，集成工艺性能等模块的分类与综合。因而，产品的研发与创新是开放式的，能根据制造企业的新需求与建议，挖掘新的关联规则，设计新型可调式刀具，其最高目标不是基于不可调刀具数据挖掘的切削参数的静态优化，而是基于综合可调功能各方面事务关联规则的挖掘，突出其综合功能所侧重的切削参数的动态优化,其服务明确具体、可靠性强。

这种模式必使切削据库结构优化，将尽可能减少计算机执行的进程，更改工作模式，删除不必要的中断，让机器运行更有效，优化文件位置使数据读写更快，空出更多的系统资源供用户支配，以及减少不必要的系统加载项及自启动项。当然优化到一定程度可能略微影响系统稳定性，但基本对硬件无害。因而是刀具技术提高的一个重要内容。

由于综合可调功能填充了不可调刀具切削参数不能连续的空隙区域（主偏角与刃倾角空缺点），联系与识别了切削参数的孤点（大前角与大刃倾角），能使传统不可调刀具单一工艺性能内部相近独立参数集成而相互关联，也突破其壁垒使数据库不同工艺性能参数进一步集成而有最小支持度（Support）与最小可信度（Confidence），再引入不同制造企业的不同兴趣度（Life）就使所得规则更符合实际需求 ，刀具的创新进入新的开放平台。这里包含了可调刀具数据发现、特征描述与集成三个价段的挖据过程，能形成具有独特动态优化加工数据集的新式可调刀具，能在各种不同工况下使刀具的耐用度与工艺加工能力指数,加工质量与效益显著提高，具有较大的推广价值。

三、结论

从不可调刀具延续刀具使用寿命和延伸工艺加工性能的事务功能参数的单维关联，扩展到刀具综合可调功能各方面事物间的多维关联，表示了刀具使用寿命在多方面的有效延续与加工工艺的集成与拓展。它以刀具综合可调功能模块化为挖掘工具，开拓了刀具研制开发的创新平台，保证了制造业集约化、绿色化环保的时代需求。无疑将是我国现代制造业的核心技术。□

1.高亮 扬扬 李新宇《数控加工参数优化的研究现状与进展》航空制造技术 2010年第22期

2.仇启源 庞思勤《金属切削技术》

3.范亚炯 《浅析新型可调重型车刀的加工与工具系统》 世界制造技术与装配市场 2010年 第5期 P93

4.范亚炯 《车床类待修光刃的大进给精加工可调式刀具简式工具系统》 世界制造技术与装配市场 2012年 第5期 P95

5.于随然 陶璟《产品全生命周期设计与评价》科学出版社 2012年6月

6.张兴灰 《数据仓库与数据挖掘技术》清华大学出版社2011年6

7.范亚炯 《刀具几何参数可调不重磨的归类分析机》械研究与应用2000（3）P7－10；

8.范亚炯 《对现车削工具系统的功能分析与设计思想建议 》世界制造技术与装备市场2013（6）

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