“工業(yè)母機(jī)—復(fù)合材料加工”專題 | 大連理工大學(xué)王福吉教授團(tuán)隊：面向復(fù)合材料構(gòu)件加工的智能刀具管理系統(tǒng)研究

專題文章（五）

作者簡介

王福吉

大連理工大學(xué)

教授、博導(dǎo)

• 國家級領(lǐng)軍人才等

• 參與獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎、國家科技進(jìn)步獎一等獎（創(chuàng)新團(tuán)隊獎）、教育部技術(shù)發(fā)明獎一等獎，牽頭獲遼寧省科技進(jìn)步獎二等獎、大連市科技進(jìn)步獎一等獎等多項獎勵

• 長期從事復(fù)合材料零件加工、復(fù)合材料增材制造、加工過程檢測與控制等方面的研究工作

作者簡介

付 饒

大連理工大學(xué)

教授、博導(dǎo)

• 國家級青年人才等

• 獲上銀優(yōu)秀機(jī)械博士論文獎金獎、授權(quán)中國國際發(fā)明專利30余項等多項獎勵

• 長期從事復(fù)合材料及其疊層構(gòu)件高質(zhì)高效加工理論、工藝與專用裝備等方面的研究工作

張洪洋, 宋戈, 付饒, 張世維, 姜振喜, 劉欣, 張桂, 王福吉. 面向復(fù)合材料構(gòu)件加工的智能刀具管理系統(tǒng)研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2026(5): 46-54. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.005

張洪洋①③ 宋戈② 付饒①③ 張世維①③

姜振喜①②③ 劉欣①③ 張桂② 王福吉①③

（①大連理工大學(xué)遼寧省先進(jìn)復(fù)合材料高性能制造重點(diǎn)實(shí)驗室

②成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

③大連理工大學(xué)高性能精密制造全國重點(diǎn)實(shí)驗室）

研究背景

隨著航空航天等高端裝備制造對輕量化和高性能結(jié)構(gòu)的需求不斷提升，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等新型材料在復(fù)雜構(gòu)件中得到廣泛應(yīng)用。但復(fù)合材料構(gòu)件種類多、加工尺寸與工藝需求差異大，導(dǎo)致所需刀具類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用工況極為復(fù)雜。現(xiàn)有刀具管理系統(tǒng)多側(cè)重通用結(jié)構(gòu)參數(shù)記錄和庫存管理，對多類型刀具結(jié)構(gòu)適配、信息快速流轉(zhuǎn)以及磨損狀態(tài)智能預(yù)測支持不足。尤其在復(fù)合材料加工中，刀具磨損會加劇制孔損傷，影響加工質(zhì)量，傳統(tǒng)依靠切削次數(shù)、加工時間或人工經(jīng)驗判斷壽命的方法已難以滿足精確管控需求。因此，亟需構(gòu)建集多參數(shù)管理、刀具快速識別、加工數(shù)據(jù)采集和磨損預(yù)測于一體的智能刀具管理系統(tǒng)，以提升刀具全流程管理效率和復(fù)合材料構(gòu)件加工質(zhì)量。

研究內(nèi)容

（1）刀具信息數(shù)據(jù)庫開發(fā)

針對復(fù)合材料加工刀具結(jié)構(gòu)差異大、參數(shù)種類多的問題，系統(tǒng)基于SQL Server建立刀具結(jié)構(gòu)信息、刀具使用信息、設(shè)備信息和系統(tǒng)用戶信息等主要表單。除刀具直徑、頂角、前角、后角、長度、夾持直徑等通用參數(shù)外，還拓展了第二頂角、第二前角、第二后角、橢圓長軸、橢圓短軸以及適用加工工藝參數(shù)等字段，為多類型刀具管理和磨損預(yù)測提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）刀具信息管理模塊開發(fā)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，以C#和.NET Framework完成前后端開發(fā)，通過ADO.NET實(shí)現(xiàn)客戶端與刀具信息數(shù)據(jù)庫的連接。功能上劃分為刀具信息管理、設(shè)備信息管理、刀具庫存管理和內(nèi)部員工管理四大模塊，并進(jìn)一步細(xì)化為采購信息、結(jié)構(gòu)信息、加工參數(shù)、信息識別、出入庫、使用記錄和壽命預(yù)測等功能。

（3）刀具快速識別模塊開發(fā)

針對人工輸入刀具編碼效率低、容易出錯的問題，系統(tǒng)將二維碼生成程序嵌入刀具信息管理界面，并采用激光刻蝕方式將唯一身份編碼標(biāo)識在刀具末端。相較于粘貼式標(biāo)簽，激光刻蝕二維碼更能適應(yīng)車間油污、磨損和頻繁周轉(zhuǎn)環(huán)境；掃碼器讀取刀具編碼后，可將信息輸入管理系統(tǒng)和機(jī)床，實(shí)現(xiàn)刀具身份、結(jié)構(gòu)參數(shù)與加工數(shù)據(jù)的快速關(guān)聯(lián)。

（4）刀具磨損預(yù)測模塊搭建

刀具磨損預(yù)測模塊把刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)與機(jī)床加工數(shù)據(jù)相結(jié)合。系統(tǒng)通過機(jī)床主軸功率變化區(qū)間、加工時間、進(jìn)給和轉(zhuǎn)速等信息計算實(shí)際切削距離，并將切削距離與刀具前角、后角、橢圓長短半軸等結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入磨損預(yù)測模型。模型以Matlab函數(shù)形式編寫，并通過動態(tài)鏈接庫方式供管理系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對CFRP加工刀具磨損狀態(tài)的預(yù)測。

結(jié)語

（1）通過對加工刀具的復(fù)雜結(jié)構(gòu)參數(shù)以及關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，設(shè)計了符合多種結(jié)構(gòu)類型加工刀具復(fù)雜參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的信息存儲數(shù)據(jù)庫，解決了開發(fā)中多刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)管理邏輯復(fù)雜的問題，為磨損預(yù)測提供必要數(shù)據(jù)支持。

（2）使用激光打標(biāo)機(jī)將刀具編碼刻蝕在刀具上，通過二維碼識別手段快速讀取刀具信息，將其輸入到系統(tǒng)以及機(jī)床中，實(shí)現(xiàn)對刀具信息的追蹤和更新，提高了系統(tǒng)中信息流轉(zhuǎn)效率。

（3）采集機(jī)床加工數(shù)據(jù)，基于機(jī)床功率變化時間以及加工參數(shù)，輸出磨損預(yù)測所需加工參量，將其與數(shù)據(jù)庫中的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入磨損預(yù)測功能對應(yīng)數(shù)據(jù)接口，加強(qiáng)了系統(tǒng)磨損預(yù)測與實(shí)際工況的結(jié)合，滿足不同結(jié)構(gòu)類型和工況下的刀具磨損預(yù)測需求。

（4）以加工CFRP的匕首鉆為例，驗證刀具管理系統(tǒng)性能，系統(tǒng)能夠完成對匕首鉆復(fù)雜結(jié)構(gòu)信息的儲存和管理，刀具管理效率明顯提高，且系統(tǒng)磨損預(yù)測平均誤差在15%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對CFRP加工刀具結(jié)構(gòu)、壽命等信息的高效管理。

近年團(tuán)隊發(fā)表文章

[1]Hu X, Wang F, Wei G, Ju P, Fu R, Jia Z. Micromechanical deformation mechanism and modeling of CF/PEEK cutting[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2026: 111648.

[2]Wang F, Du C, Zhang S, Zhao L, Tian J, Fu R. Effects and optimization of temporary fastening parameters on drilling deformation of thin-walled CFRP/Ti stacks[J]. Thin-Walled Structures, 2026, 225: 114840.

[3]Wang F, Zhou H, Hu X, Sun Y, Fu R. Novel multi-point angle drill bit for reducing damage at the hole exit in drilling high-toughness thermoplastic composites[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2026, 164: 52-67.

[4]Ju P, Fu R, Wei G, Wang F, Hu X, Sun Y, Yin D, Wang P. Novel milling cutter structure for high-quality milling of CF/PEEK composites via enhanced shear cutting[J]. Composites Part B: Engineering, 2026, 315: 113465.

[5]Fu R, Shi X, Liu J, Du C, Wang G, Cui G, Zhao M. Improving drilling quality for curved workpieces by contour-conforming pressing method[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2026, 143: 2597-2612.

[6]Fu R, Zhai W, Chang W, Wang G, Zhao L, Tian J, Sun D, Zhao M. Cross-scale chip removal process analysis and optimization using hybrid CFD-DEM simulation[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2026, 157: 238-249.

[7]Wei G, Fu R, Ju P, Hu X, Jia Z, Wang F, Geier N. Cutting temperature prediction for carbon fiber-reinforced thermoplastic composites considering anisotropic-plastic features[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 303: 110668.

[8]Wang F, Hu X, Fu R, Ge L, Ju P, Jia Z. Theoretical analysis of cutting mechanisms for CF/epoxy and CF/PEEK considering their elasto-plastic properties[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2025, 196: 109007.

[9]Du C, Fu R, Zhai W, Liu J, Cui G, Zhao M, Wang F. Impact variation of workpiece stiffness on drilling of CFRP/Ti thin stacks[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 141: 627-637.

[10]Zhou H, Wang F, Zhang S, Lin Y, Wei G. Analysis of material removal behavior and damage mechanism at hole exit in drilling high-toughness CF/PEEK composites[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2025, 134: 107-116.

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