多轴联动工具磨削软件关键技术与发展趋势

李国超 柏小祥 王黎明 李昌明 李友生

1.江苏科技大学机械工程学院，镇江，212003 2.山东大学机械工程学院，济南，250061 3.杭州优迈科技有限公司，杭州，3113054.厦门金鹭特种合金有限公司，厦门，361021

0 引言

整体式立铣刀、钻头、丝锥、拉刀、铰刀等高性能数控刀具因其良好的切削性能和服役寿命成为了航空航天、医疗器械、精密模具、电子通信等高端制造业不可替代的“利器”。为满足不断涌现的钛合金、镍基合金、复合材料等难加工材料以及薄壁、深孔等难加工特征的高精度加工需求，高端整体式数控刀具通常具有基体材料硬度高、空间几何形状特征复杂、制造成形几何精度及表面质量要求高等特点，必须采用五轴联动数控工具磨床对圆柱毛坯棒料进行磨削加工成形。工具磨削软件作为工具磨床的“大脑”，控制着砂轮运动轨迹、磨削速度、进给速度等核心工艺参数，对数控刀具磨削成形精度和质量起到了决定性作用。

目前，我国刀具生产行业所用工具磨床及其软件系统几乎全部来自进口，在付出高昂成本的同时，设备的使用、维护甚至产品信息还必须受制于人，间接导致刀具自主研发和创新受制于人。

现代工业软件集工艺基础理论和技术经验于一体。国外著名工具磨削软件经过几十年的理论分析、技术积累和经验总结，将磨削工艺理论和工程实践经验紧密相结合，已形成软件开发和升级的良性循环，软件功能不断拓展。而我国理论研究和实践生产脱节，高校理论研究成果难以对工程实践进行有效指导，工厂丰富的实践经验由于缺乏理论支撑难以形成成熟的工艺知识，导致我国工具磨床软件开发始终难以实现。长此以往，在国外已经向智能化发展的情况下，我国与国外的差距将不断扩大，高端数控刀具自主化研制的道路任重而道远。

为此，本文通过阐述工具磨削软件应用工况，梳理了现有工具磨削软件功能及发展水平，分析了工具磨削软件需要突破的关键理论及技术，提出了目前存在的问题以及未来的发展趋势。

1 工具磨削软件应用工况分析

1.1 工具磨削软件主要应用对象——整体式数控刀具

工具磨削软件主要面向具有复杂空间几何结构特征、高附加值的整体式刀具，包括立铣刀、钻头、丝锥等，如图1所示。整体式数控刀具通常由圆柱毛坯棒料磨削成形，包含沟槽大切深缓进给磨削加工、空间曲面磨削成形加工、平面磨削成形加工等工序，要求砂轮可以进行复杂的空间运动。以整体式立铣刀为例，其磨削特征包括螺旋槽、周刃后刀面、Gash面、底刃后刀面、倒角等，如图2所示。

图1 工具磨削软件典型应用对象(WALTER)

图2 整体式立铣刀的主要磨削特征(ROLLOMATIC)

1.2 工具磨削软件应用载体——多轴数控磨床及砂轮

由于整体式刀具的结构复杂，一般采用多轴联动数控工具磨床对其进行加工，因此，工具磨削软件主要控制多轴联动数控工具磨床。工具磨床自1889年美国辛辛那提公司开始制造以来，已取得较大发展，世界上主要的工具磨床结构如图3所示。

(a)WALTER-HELITRONIC (b)SAACKE-UWID

整体式刀具通常采用金刚石超硬砂轮磨削成形，在实际加工中，通常将刃磨一把刀具所用到的砂轮进行组合安装，以砂轮组的形式安装于磨床，如图4所示。当标准砂轮无法满足刃磨要求时，需设计成形砂轮。

图4 整体式刀具磨削用砂轮组

2 现有商业工具磨削软件功能简介

目前，工具磨床软件主要包括NUM公司的NUMROTO、WALTER公司的HELITRONIC TOOL STUDIO、ANCA公司的TOOLROOM以及ROLLOMATIC公司的VIRTUALGRINDPRO等[1]，如表1所示。由表1可知，大部分工具磨削软件开发企业具有自主研制工具磨床的能力，并且企业内部生产的磨床与磨削软件相匹配，代表性的软件界面如图5所示。为实现丰富的操作界面以及较快的响应速度，该类软件通常采用Client-Server(C/S)结构(即客户端服务器端架构)，磨床上的软件通过局域网与服务器相连，接受工具制造工艺人员的请求。不同商业工具磨削软件主要在功能上存在差异。

表1 主要工具磨削软件

(a)NUMROTO (b)HELITRONIC TOOL STUDIO

(1)NUM公司的NUMROTO。NUMROTO是一套通用的工具磨削解决方案，其核心是NUMROTOPLUS编程系统，具有碰撞监视、三维加工仿真动画模拟等功能。主要特点包括：利用变焦和旋转功能显示并评估最微小的运动和过程；在铣刀的球头和圆角部位编辑单独的螺旋夹角；能够为半径终点和柱体起点部位编程不同的螺旋角；NUMROTO DRAW模块可自动处理用于磨削刀具的几何数据以生成基本图纸，并可以打印砂轮装配图纸供机床操作人员使用；3D仿真模块中坯料的冷却液孔会自动显示，并可添加 DXF 对比轮廓；测量模式提供比较器功能，编程的进给速率可在3D仿真过程中显示。

(2)WALTER公司的HELITRONIC TOOL STUDIO。HELITRONIC TOOL STUDIO是德国WALTER公司产品，主要配套该公司生产的工具磨床。该公司通过将软件部门和工具磨床部门相结合，所开发的软件可以在一次装夹中完成磨削极其复杂的几何图形，允许编辑从设计到生产的所有工具参数。主要特点包括：磨削三维模型的生成仅需要几秒钟，且三维模型是实际磨削加工出来的实际尺寸，而不是近似值；模块化的软件结构可以生成任意复杂刀具，不同的工序可以任意无限次组合，有助于将来的升级改造；磨削过程具有防干涉监测功能，综合考虑机床空间、夹盘、砂轮、附加空间尾架、固定中心架等，在每次磨削前自动进行加工仿真，且发生干涉时自动停止；刀具测量误差小于3 μm，测量结果不会因图的放大缩小而改变。

(3)ANCA公司的IFLUTE、TOOLROOM、CIM3D、TOOLDRAFT。澳大利亚ANCA公司涉及磨床的所有领域，包括CNC控制系统和应用软件以及磨床及其附件，如开发出了IFLUTE、TOOLROOM、CIM3D、TOOLDRAFT等一系列磨床配套软件系统。其中IFLUTE模块用于设计特殊的槽形，可以根据槽形设计成形砂轮或根据砂轮形状计算槽形；TOOLROOM可以简易直观地创建复杂铣刀的几何形状，提高生产率，通过简单的设计消除高性能复杂刀具的颤振，提高刀具动平衡性能，延长刀具寿命、增进切削量、提高工件的质量和精度；CIM3D可以查看磨削过程和磨削成品模型，在屏幕上进行工具模型测量、碰撞检测和工艺改进；TOOLDRAFT可以基于CIM3D或TOOLROOM快速简便地创建二维图纸。

(4)ROLLOMATIC公司的VIRTUALGRINDPRO。VIRTUALGRINDPRO与ROLLOMATIC GRINDSMART多轴磨床相配套，标准工具磨削模块包括钻头、立铣刀、成形刀、刀片、镗杆等，具有二维工程图纸导出、砂轮磨削速度优化、刀具质心求解、磨削时间求解以及自动补偿功能。主要特点包括：所有砂轮运动路径和操作都由可编辑函数表示，为编程提供了最大的灵活性；通过作业管理器功能模块，可以从相同直径毛坯中生产出一系列不同几何形状的工具；集成70余种磨削案例，方便了新型刀具的研制；通过加工过程测量，具有自动补偿功能，便于无人生产；具有砂轮修整功能，可保证生产的连续性以及产品质量的稳定性。

3 工具磨削软件需要突破的理论难题及关键技术

工具磨削软件是典型的工业软件，本质上是基础工艺理论、技术经验、工艺知识，需要融合高水平的工程、软件和数学知识以及技术人员和应用工程师的实际经验和技能。

刀具几何参数(形)通过影响刀具刚度、切削刃强度、排屑性能、实际切削角度及被加工材料表面质量来决定刀具切削性能，刀具表面粗糙度、残余应力等表面质量(性)通过影响刀具疲劳强度、涂层结合强度及抗磨损性能来决定刀具服役寿命，形性兼备是高端刀具的必备条件[2-5]。

为此，工具磨削软件需要以复杂曲面磨削成形路径规划、磨削过程力学行为、磨削表面质量成形机理、高效高质磨削工艺参数优化等工艺理论为基础，结合工具磨削过程中冷却润滑、砂轮磨损等实践技术经验，制造满足设计要求的刀具几何形状及磨削表面质量。现有工具磨床软件被国外垄断，相关技术文件及文献资料较少，根据已发表文献资料，结合数控刀具成形工艺特征，总结获得了工具磨削软件涉及的关键理论问题、技术难题及研究现状。

3.1 几何成形理论难题及关键技术研究现状

整体式刀具几何结构成形难点在于具有复杂曲面特征的螺旋槽精确成形。螺旋槽由砂轮回转面空间包络成形，遵循空间包络原理，基于此，SHETH等[6]提出螺旋槽刃磨过程中任意时刻下砂轮与螺旋槽接触点处的公法线必过砂轮轴线；ZHANG等[7]提出螺旋槽成形的三种形式：完全包络、包络+轨迹、完全轨迹；LI[8]针对砂轮回转母线上奇点参与磨削的情况，指出螺旋槽分别由砂轮回转轮廓面包络以及母线上奇点的运动轨迹形成；UHLMANN等[9]进一步指出砂轮安装角度不同时，螺旋槽前刀面和基面与砂轮边缘和回转面之间的匹配关系将发生改变，针对螺旋槽磨削几何成形机理的总结如图6所示。针对螺旋槽形状(槽形)、砂轮形状、砂轮位姿三者之间的几何匹配关系，主要开展了已知砂轮形状和位姿预测槽形[10-11]、已知槽形和砂轮形状求砂轮位姿[12-15]、已知槽形和砂轮位姿反求砂轮形状[16-17]等方面的研究，如图7所示。此外，针对由于紧凑的刀具结构而导致的“过切”、“欠切”等加工缺陷，陈芳[18]建立了基于球面砂轮的砂轮位姿约束条件；赵文昌[19]给出了“过切”现象的校验方程式，LIU等[20]采用迭代方法建立了考虑砂轮磨损的砂轮位姿求解算法；LI等[21]开发了基于“四线”理论的复杂螺旋槽砂轮轨迹求解算法。

(a)容屑槽几何成形包络原理

图7 整体式刀具螺旋槽与砂轮匹配关系研究内容[12]

3.2 物理成性理论难题及关键技术研究现状

3.2.1刀具缓进给磨削力学建模及分析

强磨削力是刀具磨削工艺的重要特征，是导致几何形状误差、表面质量缺陷等加工问题的主要原因之一，其中，以螺旋槽缓进给磨削尤其突出。UHLMANN等[22-23]使用间接方法测量螺旋槽磨削过程中的法向力和切向力，获得了随砂轮轮廓变化的材料去除率和未变形切屑厚度；宋铁军等[24-25]将砂轮离散为一组不同直径的单位厚度薄片，建立了轴向磨削力与切向磨削力之间的关系模型，指出对磨削力影响程度从高到低的因素依次为砂轮速度、工件轴向进给速度、砂轮粒度；PAYREBRUNE等[26-28]研究了螺旋槽磨削加工过程中的刀具动力学行为，依据砂轮形貌与磨削力之间的关系解释了磨削过程中实测磨削力的波动现象；BUREK等[29]通过磨削试验建立了基于磨削速度vs和砂轮进给速度vf的硬质合金螺旋槽磨削力二次多项式预测模型，该模型同时考虑了vs与vf之间的交互作用，结果表明vf对法向磨削力的影响较大；ASLAN等[30]建立了具有一定规则的螺旋槽磨削过程磨削力模型，针对缓进给磨削将磨削力F表示为当量磨削层厚度heq与磨削接触弧长lg比值的函数(即F=f(heq/lg))，与此不同的是，PAYREBRUNE等[31]、DITTRICH等[32]分别采用线性拟合、二次多项式拟合的方式获得了磨削力函数表达式。

3.2.2刀具缓进给磨削表面质量分析

表面质量是刀具磨削工艺制定需要考虑的关键因素之一。UHLMANN 等[23]研究了不同砂轮对磨削表面粗糙度的影响规律，指出螺旋槽前刀面和基面分别为端面磨削和圆周磨削，因此两个表面粗糙度差距较大；宋铁军等[24]建立了表面粗糙度求解和预测模型，分析了砂轮直径和砂轮进给速度对磨削表面粗糙度的影响，指出提高磨削速度或降低砂轮进给速度均有利于减小表面粗糙度值；BUREK等[29]的研究结果表明磨削速度和砂轮进给速度均会对表面粗糙度产生影响；LIN等[33]基于五种不同金刚石砂轮磨削刀具螺旋槽试验进行了研究，发现随着加工工件数的增加磨削表面粗糙度值逐渐减小；DENKENA等[34]研究了缓进给磨削工艺对磨削表面残余应力的影响，指出磨削表面残余应力随磨削未变形切屑厚度的增大而增大；黎文娟等[35]开展了D6超细WC-Co合金磨槽试验，指出对刀具表面粗糙度影响程度从高至低的因素依次为砂轮粒度、进给量、砂轮线速度(几乎无影响)；贾康等[36]从接触线角度分析了砂轮姿态对刀具磨削表面质量的影响规律，提出了为提高表面质量磨削接触线应位于砂轮切入侧的策略。

3.2.3刀具磨削性能分析

刀具切削性能和服役寿命同样是刀具磨削工艺制定需要考虑的关键因素之一。UHLMANN等[22-23]分析了磨削工艺对刀刃质量的影响，并通过优化刃磨工艺延长了Inconel 718铣削刀具寿命，然后研究了不同磨削工艺对刀具几何精度以及前刀面表面粗糙度的影响规律，优化了碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)铣削时硬质合金立铣刀的寿命，同时指出螺旋槽的表面质量及磨削效率需要进一步得到提高；WANG等[37]采用灰色关联度及正交分析方法进行研究，指出硬质合金立铣刀磨削质量、几何形状及切削工艺对高速铣削AISI H13综合效果的贡献率分别为11.75%、9.8%、73.11%；ZHAO等[38]通过试验指出磨削工艺会对螺旋槽磨削表面裂纹及残余应力产生影响，进而影响钛合金加工过程中刀具寿命的稳定性；何荣跃等[39]通过观测刃口形貌发现，砂轮粒度和磨削余量与刀具刃口的崩缺密切相关，进而会影响刀具寿命。

3.3 磨削工艺优化技术研究现状

磨削工艺优化是刀具磨削软件的核心之一。DITTRICH等[32]针对加工过程中刀具的弯曲变形，建立了包括材料去除、磨削力预测、挠曲变形等的混合模型，通过改变砂轮进给实现了变形控制；何荣跃等[39]以刀具刃口崩缺为评判依据，优化了砂轮粒度及磨削余量；CHEN等[40]采用CAM系统规划刀具加工磨削工艺流程及参数，使加工效率提高了10%；叶军红等[41]采用虚拟加工优化加工工艺，实现了避免磨削烧伤和提高磨削效率的目的，同时建立了复杂刀具磨削工艺数据库系统；随卡卡[42]通过磨削工艺试验指出，提高砂轮线速度可以使刀具的加工质量更加稳定；刘玉帮[43]分析了砂轮线速度对砂轮磨削性能的影响，发现可通过增大切深来提高磨削效率；ZHANG等[44]以切削性能为评价指标，优化了细钻头刀具磨削砂轮安装位置和角度；陈康[45]以加工功率、表面粗糙度及加工时间为目标，优化了刀具磨削砂轮线速度及进给速度；DENKENA等[46-47]针对刀具再制造面临的螺旋槽磨削工艺，通过调整进给实现了加工过程均载，同时综合考虑芯径精度、表面粗糙度和加工效率，建立了基于支持向量机(support vector machine，SVM)的磨削速度、进给速度等磨削工艺变量的优化模型，使得加工时间可缩短38.1%的同时芯径误差减小73.7%。

3.4 理论难题及关键技术现状分析

目前，有关刀具磨削成形机理、工艺求解、性能分析、工艺优化等方面的研究已取得了大量成果，但仍存在需要进一步解决的问题，主要包括：

(1)在几何成形方面，一方面，针对传统螺旋槽砂轮位姿求解算法已较为成熟，但传统螺旋槽中的迭代算法、目标函数法均不适用于复杂螺旋槽，有关变前角变螺旋角、变前角不变螺旋角等复杂螺旋槽的几何成形理论、碰撞干涉分析等研究鲜有报道，并且对考虑刀具受力变形而导致螺旋槽几何误差的研究需进一步深入。

(2)在表面质量方面，鉴于缓进给磨削复杂的物理过程，硬质合金刀具磨削工艺对其表面质量作用机理尚不明确，目前多为试验现象的描述。

(3)在磨削性能分析方面，目前主要分析表面粗糙度、微观裂纹、残余应力等对刀具寿命的影响，缺少考虑砂轮磨损的批量生产刀具性能稳定性研究，此外，目前多采用二维几何结构评价方式，而忽略了复杂螺旋槽的三维曲面特性。

(4)在磨削工艺优化方面，目前多采用单目标优化方法，缺少综合考虑刀具切削性能、寿命、稳定性等多目标条件下砂轮形状、运动轨迹、磨削参数之间的协同优化，并且基于试验的优化模型应用在新型刀具上具有局限性。

4 工具磨削软件发展趋势

未来高性能数控刀具在几何特征复杂程度、几何尺寸成形精度、磨削表面质量等方面的要求不断提高，驱使刀具制造向高柔性、高质量、高效率、高稳定性、高可靠性等方向发展。为满足未来刀具的制造新需求，工具磨削软件需要拓展加工过程监测、加工质量预测、加工工艺优化、加工信息共享等功能，为满足这些功能，需借助于先进的传感器技术、人工智能技术以及大数据分析技术，智能化将成为未来工具软件发展的主要趋势，主要体现在：

(1)磨削过程砂轮磨损预测、干涉检测及补偿智能化。刀具批量生产过程中砂轮磨损不可避免，虽然砂轮的自锐性可以降低其磨损对磨削表面质量的影响，但砂轮在几何结构上的改变将导致同一批次不同次序磨削容屑槽具有尺寸上的微小差异，且精度及稳定性降低，此外复杂刀具刃磨中易发生砂轮碰撞干涉问题，因此，借助传感器的及时感知，通过软件算法预测砂轮磨损程度，并对砂轮运动轨迹进行智能调整和补偿，从而避免干涉，提高刀具磨削质量稳定性，实现磨床的连续自动生产，是刀具磨削软件发展的必然趋势。

(2)磨削工艺设计与优选智能化。传统依靠人工经验进行磨削工艺参数设置的方法已无法适应数控刀具向小批量多品种的发展要求。由于磨削物理过程过于复杂，故基于机理的预测模型适应性较差。以刀具制造企业实际生产中产生的磨床扭矩、表面粗糙、几何形状误差等过程大数据为基础，借助于大数据和人工智能技术，建立基于磨削工艺的磨削质量预测模型，并通过不断增加的样本数据量来提高模型精度和扩大适用范围，实现对新型刀具磨削方案的精确、快速制定，是刀具磨削软件发展的必然趋势。

(3)面向全生命周期刀具信息智能互联。构建面向设计、制造、使用、修磨、报废等全生命周期的刀具数字孪生模型是未来的发展趋势之一。工具磨削软件作为刀具成形、成性的决定性因素之一，需要进一步与磨床企业、刀具制造企业、刀具应用企业信息互联，与CAD、CAM、CAE等虚拟仿真环节充分融合，形成面向应用工况的高性能数控刀具设计制造一体化解决方案，为刀具全生命周期数字孪生模型提供重要支撑，是刀具磨削软件发展的必然趋势。

5 结束语

我国要实现“制造强国”，必须拥有自主可控的工业软件。近年来，工业软件在国民经济中的重要性已得到广泛共识，在政府的大力推动和产学研各界的努力下，国产刀具磨削软件在基础理论研究方面已取得了丰富成果。然而，由于存在着应用基础先天不足、核心工艺技术缺乏、理论研究成果难以工程应用等诸多挑战，工具磨削软件在自主开发方面仍然任重而道远，需要政府、工具磨床制造企业、刀具生产企业以及科研院所紧密配合与协作，在科研人员开发出软件框架的基础上，不断在“用”中提高稳定性、实用性、成熟度。