一种面向机械加工过程的刀具选配方法
【专利摘要】本发明提供了一种面向机械加工过程的刀具选配方法，依据待加工零件的不同特征，逐步缩小待选配刀具的可选范围，得到若干满足零件加工要求的待选刀具，再通过计算碳排放量来选择最终的刀具。该选配方法的步骤调理清晰、层次明确，能够降低刀具选配的复杂度，提高刀具选配的推理效率和准确性。本发明中将机械加工过程的碳排放量计算引入到刀具选配方案评价中作为待选刀具最终的选择标准，一方面使最终的选配出的刀具方案更加贴近实际生产要求，保证了选配结果的实用性；另一方面在一定程度上实现了对车间制造系统能量消耗的管控和对加工过程碳排放量的管控，提高了整个系统的绿色化程度，为实现机械加工过程中的高效选刀与节能减排提供了借鉴。
【专利说明】-种面向机械加工过程的刀具选配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于先进制造与自动化【技术领域】，涉及一种面向机械加工过程的刀具选配 方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国装备制造业的高速发展，已经成为了国民经济的支柱产业，但是与此同 时消耗了大量的社会资源，并且成为当前环境污染问题的主要根源，是节能减排的重要对 象。为使产品在加工过程中尽可能的节省资源、降低能耗、减少对环境的负面影响，企业对 生产过程中的节能减排越来越重视，因此加工过程的环境影响问题（如碳排放问题）就显 得愈来愈重要。现代机械加工过程中，刀具已经成为了整个制造系统不可忽视的重要组成 部分，它不仅是影响加工质量、成本、生产率的重要因素，同时也关系到整个加工过程中的 能量消耗。因此对刀具使用方案进行合理的制定，不仅是保证机械加工顺利进行的关键手 段，同时也是提高制造系统绿色化程度的有效途径。因此，非常有必要去探究一套新型的刀 具选配方法。
[0003] 在传统的面向制造车间的刀具选配专家系统中，由于缺乏较为合理的刀具选配知 识描述方法且没有考虑面向绿色制造模式的方案评价体系，致使在机械加工过程的刀具选 配过程中出现如下问题：
[0004] 1)刀具选配问题涉及生产资源及加工工艺诸多内容，随着企业加工装备与产品种 类的增多，这部分信息量将会越来越大，之间的关系也越来越复杂，传统的基于产生式推理 规则的专家系统难以发觉信息及规则之间蕴含的内在联系，导致推选效率降低。
[0005] 2)刀具选配过程中，由于缺少对环境影响因素的考虑，从而使整个机械加工过程 的能量消耗不能得到很好的管控，导致选配方案脱离实际生产，缺乏实用性。
[0006] 由于以上两个问题的存在，伴随着制造信息量的增加以及新型制造模式的出现， 传统的刀具选配方法已不能满足现实生产的要求，刀具选配过程已经成了影响与制约机械 加工顺利进行的瓶颈问题。
[0007] 本体论（Ontology)源于哲学范畴，通过对客观世界的事物进行分解，发现其基本 组成部分，从而揭示事物存在的本质及规律，使抽象的事物具体化，是系统化、规范化描述 客观事物的一种方法。本体方法不仅可以用于准确的进行概念含义及概念之间关系的描 述，还可以通过逻辑推理去获得概念、规则内在的联系，具有非常强的概念表达和知识获取 的能力。本体定义的概念能够实现基于规则的推理，并在规则库基础上实现自学习。本体 知识管理还可以支持对隐性知识进行推理，方便异构知识之间实现互操作，方便融入领域 专家知识及实现经验知识结构化等，可以极大的弥补传统方法的不足。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种面向机械加工过程的刀具选配方法，能够减少机械加 工过程的碳排放量，保证选配结果的实用性。
[0009] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0010] 一种面向机械加工过程的刀具选配方法，包括以下步骤：
[0011] 1)根据待加工零件的加工特征选择匹配的机床类型和刀具类型；
[0012] 2)根据待加工零件的材料类型，在步骤1)选择出的刀具类型中，选出若干种材料 的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的加工要求；
[0013] 3)根据步骤1)选择出的机床类型中机床的主轴，在步骤2)选择出的刀具中，选出 若干个刀柄与机床主轴相配合的刀具；
[0014] 4)根据待加工零件的待加工特征的具体几何参数，在步骤3)选择出的刀具中， 选出若干个属性的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的具体几何参数要 求；
[0015] 5)根据待加工零件的待加工特征的加工精度，在步骤4)选择出的刀具中，选出若 干个加工精度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的加工精度要求；
[0016] 6)根据待加工零件的待加工特征的表面粗糙度，在步骤5)选择出的刀具中，选出 若干个加工粗糙度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的表面粗糙度要 求，得到若干个待选刀具；
[0017] 7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量，选择碳排放量最低的待选刀具作为 最终选择出的刀具。
[0018] 所述的步骤1)的具体操作为：
[0019] 当加工零件为平面类零件或非回转体曲面类零件，且加工特征为平面、台阶、键 槽、沟槽、切断、内外曲线型面、镗孔、外齿轮、螺纹或花键轴时，选择铣床，刀具选择铣刀；
[0020] 当加工零件为具有回转表面的工件时，且加工特征为端面、内外圆柱面、内外圆锥 面、螺纹、沟槽、端面或成形面时，选择车床，刀具为车刀；
[0021] 当加工特征为水平面、垂直面、斜面、曲面、台阶面、燕尾形工件、T形槽、V形槽、 孔、齿轮或齿条时，选择刨床，刀具为刨刀；
[0022] 当加工特征为通孔、盲孔或螺纹时，选择钻床，刀具为钻刀；
[0023] 当加工特征为要求扩大孔径、提高精度、降低表面粗糙度或位置纠偏的孔时，选择 镗床，刀具为镗刀；
[0024] 当加工特征为内外柱面、圆锥面、平面、渐开线齿廓线或螺旋面时，选择磨床，刀具 为砂轮；
[0025] 当加工特征为孔眼或键槽时，选择拉床，刀具为拉刀。
[0026]所述的步骤2)的具体操作为：
[0027] 当加工零件的材料为软金属时，选择高碳钢材料的刀具；
[0028]当加工零件的材料为钢、铸铁、有色金属及其合金时，选择硬质合金材料、陶瓷材 料或高速钢材料的刀具；
[0029] 当加工零件的材料为铁族合金、镍基合金、钴基合金、淬硬钢、冷硬铸铁、高速切削 高温合金、热喷涂材料或硬质合金时，选择氮化硼材料的刀具；
[0030] 当加工零件的材料为硬质合金、陶瓷或高硅铝合金时，选择金刚石材料的刀具；
[0031] 当加工零件的材料为钢材时，选择P类烧结碳化材料的刀具；
[0032] 当加工零件的材料为石材或铸铁时，选择K类烧结碳化材料的刀具；
[0033]当加工零件的材料为冷硬合金铸铁、耐热合金钢、普通铸铁或软钢时，选择钨钴合 金材料的刀具；
[0034]当加工零件的材料为韧性金属材料时，选择钨钛钻合金材料的刀具；
[0035]当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢或高锰钢时，选择钨钴钛铌合金材料的刀 亘. V N9
[0036] 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃或陶瓷时， 选择钨钴铌类合金材料的刀具。
[0037] 所述的步骤3)的具体操作为：
[0038] 当机床主轴结接口为长锥形时，根据机床主轴接口的锥度，选择对应锥度的BT系 列锥形刀柄的刀具；
[0039] 当机床主轴的接口为短锥形，并有豁口或紧定螺钉时，选择HSK系列刀柄的刀具；
[0040] 当机床主轴的接口为圆柱形时，选择ST系列刀柄的刀具。
[0041] 所述的步骤4)的具体操作为：
[0042] 当加工零件的待加工特征为端面槽时，选择最大切深大于端面槽深度的刀具；
[0043] 当加工零件的待加工特征为孔，选择加工直径与待加工孔直径相一致的铰刀或镗 刀；
[0044] 当加工零件的待加工特征为平面，根据平面的尺寸大小选择尺寸参数合适的铣 刀；
[0045] 当加工零件的待加工特征为加工圆柱面和台阶面时，选择W形车刀；
[0046] 当加工零件的待加工特征为外圆、端面或台阶孔时，选择C形车刀；
[0047] 当加工零件的待加工特征为通孔时，选择S形车刀；
[0048] 当加工零件的待加工特征为盲孔或台阶孔时，选择T形车刀；
[0049] 当加工零件的待加工特征为圆弧面时，选择R形车刀；
[0050] 当加工零件的待加工特征为内孔的台阶孔或进行清根时，选择D形车刀。
[0051] 所述的步骤5)的具体操作为：选择加工精度等级不低于零件要求的加工精度等 级的刀具。
[0052] 所述的步骤6)的具体操作为：选择加工粗糙度等级不低于零件要求的粗糙度等 级的刀具。
[0053] 所述的步骤7)中根据式（7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量：
[0054]
【权利要求】
1. 一种面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 根据待加工零件的加工特征选择匹配的机床类型和刀具类型； 2) 根据待加工零件的材料类型，在步骤1)选择出的刀具类型中，选出若干种材料的刀 具，使选择出的刀具满足待加工零件的加工要求； 3) 根据步骤1)选择出的机床类型中机床的主轴，在步骤2)选择出的刀具中，选出若干 个刀柄与机床主轴相配合的刀具； 4) 根据待加工零件的待加工特征的具体几何参数，在步骤3)选择出的刀具中，选出若 干个属性的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的具体几何参数要求； 5) 根据待加工零件的待加工特征的加工精度，在步骤4)选择出的刀具中，选出若干个 加工精度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的加工精度要求； 6) 根据待加工零件的待加工特征的表面粗糙度，在步骤5)选择出的刀具中，选出若干 个加工粗糙度的刀具，使选择出的刀具满足待加工零件的待加工特征的表面粗糙度要求， 得到若干个待选刀具； 7) 计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量，选择碳排放量最低的待选刀具作为最终 选择出的刀具。
2. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤1)的具体操作为： 当加工零件为平面类零件或非回转体曲面类零件，且加工特征为平面、台阶、键槽、沟 槽、切断、内外曲线型面、镗孔、外齿轮、螺纹或花键轴时，选择铣床，刀具选择铣刀； 当加工零件为具有回转表面的工件时，且加工特征为端面、内外圆柱面、内外圆锥面、 螺纹、沟槽、端面或成形面时，选择车床，刀具为车刀； 当加工特征为水平面、垂直面、斜面、曲面、台阶面、燕尾形工件、T形槽、V形槽、孔、齿 轮或齿条时，选择刨床，刀具为刨刀； 当加工特征为通孔、盲孔或螺纹时，选择钻床，刀具为钻刀； 当加工特征为要求扩大孔径、提高精度、降低表面粗糙度或位置纠偏的孔时，选择镗 床，刀具为镗刀； 当加工特征为内外柱面、圆锥面、平面、渐开线齿廓线或螺旋面时，选择磨床，刀具为砂 轮； 当加工特征为孔眼或键槽时，选择拉床，刀具为拉刀。
3. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤2)的具体操作为： 当加工零件的材料为软金属时，选择高碳钢材料的刀具； 当加工零件的材料为钢、铸铁、有色金属及其合金时，选择硬质合金材料、陶瓷材料或 _速钢材料的刀具； 当加工零件的材料为铁族合金、镍基合金、钴基合金、淬硬钢、冷硬铸铁、高速切削高温 合金、热喷涂材料或硬质合金时，选择氮化硼材料的刀具； 当加工零件的材料为硬质合金、陶瓷或高硅铝合金时，选择金刚石材料的刀具； 当加工零件的材料为钢材时，选择P类烧结碳化材料的刀具； 当加工零件的材料为石材或铸铁时，选择K类烧结碳化材料的刀具； 当加工零件的材料为冷硬合金铸铁、耐热合金钢、普通铸铁或软钢时，选择钨钴合金材 料的刀具； 当加工零件的材料为韧性金属材料时，选择钨钛钻合金材料的刀具； 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢或高锰钢时，选择钨钴钛铌合金材料的刀具； 当加工零件的材料为不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃或陶瓷时，选择 钨钴铌类合金材料的刀具。
4. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤3)的具体操作为： 当机床主轴结接口为长锥形时，根据机床主轴接口的锥度，选择对应锥度的BT系列锥 形刀柄的刀具； 当机床主轴的接口为短锥形，并有豁口或紧定螺钉时，选择HSK系列刀柄的刀具； 当机床主轴的接口为圆柱形时，选择ST系列刀柄的刀具。
5. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤4)的具体操作为： 当加工零件的待加工特征为端面槽时，选择最大切深大于端面槽深度的刀具； 当加工零件的待加工特征为孔，选择加工直径与待加工孔直径相一致的铰刀或镗刀； 当加工零件的待加工特征为平面，根据平面的尺寸大小选择尺寸参数合适的铣刀； 当加工零件的待加工特征为加工圆柱面和台阶面时，选择W形车刀； 当加工零件的待加工特征为外圆、端面或台阶孔时，选择C形车刀； 当加工零件的待加工特征为通孔时，选择S形车刀； 当加工零件的待加工特征为盲孔或台阶孔时，选择T形车刀； 当加工零件的待加工特征为圆弧面时，选择R形车刀； 当加工零件的待加工特征为内孔的台阶孔或进行清根时，选择D形车刀。
6. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤5)的具体操作为：选择加工精度等级不低于零件要求的加工精度等级的刀具。
7. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤6)的具体操作为：选择加工粗糙度等级不低于零件要求的粗糙度等级的刀具。
8. 根据权利要求1所述的面向机械加工过程的刀具选配方法，其特征在于：所述的步 骤7)中根据式（7)计算待选刀具加工零件时产生的碳排放量 ：
其中：Cp为机械加工过程的碳排放量，Pu(1为最低空载功率，VA2为主轴转速系数，V。为 切削速度，屯为回转直径，Tp为加工总工时，asp为切削深度，f为进给量，F。为切削力，为 与切削用量、刀具角度、刀具磨损以及切削液有关的系数，为与工件材料和刀具材料有 关的系数，^为指数，tm为切削时间，Tt为刀具总寿命，Wt为刀具质量。
【文档编号】B23Q3/155GK104400527SQ201410465152
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】周光辉, 杨翔, 苗发祥 申请人:西安交通大学