“工业母机—复合材料加工”专题 | 大连理工大学王福吉教授团队：面向复合材料构件加工的智能刀具管理系统研究

专题文章（五）

作者简介

王福吉

大连理工大学

教授、博导

• 国家级领军人才等

• 参与获国家技术发明奖一等奖、国家科技进步奖一等奖（创新团队奖）、教育部技术发明奖一等奖，牵头获辽宁省科技进步奖二等奖、大连市科技进步奖一等奖等多项奖励

• 长期从事复合材料零件加工、复合材料增材制造、加工过程检测与控制等方面的研究工作

作者简介

付 饶

大连理工大学

教授、博导

• 国家级青年人才等

• 获上银优秀机械博士论文奖金奖、授权中国国际发明专利30余项等多项奖励

• 长期从事复合材料及其叠层构件高质高效加工理论、工艺与专用装备等方面的研究工作

张洪洋, 宋戈, 付饶, 张世维, 姜振喜, 刘欣, 张桂, 王福吉. 面向复合材料构件加工的智能刀具管理系统研究[J]. 制造技术与机床, 2026(5): 46-54. DOI: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2026.05.005

张洪洋①③ 宋戈② 付饶①③ 张世维①③

姜振喜①②③ 刘欣①③ 张桂② 王福吉①③

（①大连理工大学辽宁省先进复合材料高性能制造重点实验室

②成都飞机工业（集团）有限责任公司

③大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室）

研究背景

随着航空航天等高端装备制造对轻量化和高性能结构的需求不断提升，碳纤维增强复合材料等新型材料在复杂构件中得到广泛应用。但复合材料构件种类多、加工尺寸与工艺需求差异大，导致所需刀具类型、结构参数和使用工况极为复杂。现有刀具管理系统多侧重通用结构参数记录和库存管理，对多类型刀具结构适配、信息快速流转以及磨损状态智能预测支持不足。尤其在复合材料加工中，刀具磨损会加剧制孔损伤，影响加工质量，传统依靠切削次数、加工时间或人工经验判断寿命的方法已难以满足精确管控需求。因此，亟需构建集多参数管理、刀具快速识别、加工数据采集和磨损预测于一体的智能刀具管理系统，以提升刀具全流程管理效率和复合材料构件加工质量。

研究内容

（1）刀具信息数据库开发

针对复合材料加工刀具结构差异大、参数种类多的问题，系统基于SQL Server建立刀具结构信息、刀具使用信息、设备信息和系统用户信息等主要表单。除刀具直径、顶角、前角、后角、长度、夹持直径等通用参数外，还拓展了第二顶角、第二前角、第二后角、椭圆长轴、椭圆短轴以及适用加工工艺参数等字段，为多类型刀具管理和磨损预测提供统一的数据基础。

（2）刀具信息管理模块开发

系统采用C/S架构，以C#和.NET Framework完成前后端开发，通过ADO.NET实现客户端与刀具信息数据库的连接。功能上划分为刀具信息管理、设备信息管理、刀具库存管理和内部员工管理四大模块，并进一步细化为采购信息、结构信息、加工参数、信息识别、出入库、使用记录和寿命预测等功能。

（3）刀具快速识别模块开发

针对人工输入刀具编码效率低、容易出错的问题，系统将二维码生成程序嵌入刀具信息管理界面，并采用激光刻蚀方式将唯一身份编码标识在刀具末端。相较于粘贴式标签，激光刻蚀二维码更能适应车间油污、磨损和频繁周转环境；扫码器读取刀具编码后，可将信息输入管理系统和机床，实现刀具身份、结构参数与加工数据的快速关联。

（4）刀具磨损预测模块搭建

刀具磨损预测模块把刀具结构参数与机床加工数据相结合。系统通过机床主轴功率变化区间、加工时间、进给和转速等信息计算实际切削距离，并将切削距离与刀具前角、后角、椭圆长短半轴等结构参数输入磨损预测模型。模型以Matlab函数形式编写，并通过动态链接库方式供管理系统调用，实现对CFRP加工刀具磨损状态的预测。

结语

（1）通过对加工刀具的复杂结构参数以及关联关系分析，设计了符合多种结构类型加工刀具复杂参数的数据结构以及对应的信息存储数据库，解决了开发中多刀具结构参数管理逻辑复杂的问题，为磨损预测提供必要数据支持。

（2）使用激光打标机将刀具编码刻蚀在刀具上，通过二维码识别手段快速读取刀具信息，将其输入到系统以及机床中，实现对刀具信息的追踪和更新，提高了系统中信息流转效率。

（3）采集机床加工数据，基于机床功率变化时间以及加工参数，输出磨损预测所需加工参量，将其与数据库中的结构参数输入磨损预测功能对应数据接口，加强了系统磨损预测与实际工况的结合，满足不同结构类型和工况下的刀具磨损预测需求。

（4）以加工CFRP的匕首钻为例，验证刀具管理系统性能，系统能够完成对匕首钻复杂结构信息的储存和管理，刀具管理效率明显提高，且系统磨损预测平均误差在15%以内，实现了对CFRP加工刀具结构、寿命等信息的高效管理。

近年团队发表文章

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[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.

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[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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