多軸聯(lián)動(dòng)工具磨削軟件關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

李國(guó)超 柏小祥 王黎明 李昌明 李友生

1.江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江，212003 2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南，250061 3.杭州優(yōu)邁科技有限公司，杭州，3113054.廈門金鷺特種合金有限公司，廈門，361021

0 引言

整體式立銑刀、鉆頭、絲錐、拉刀、鉸刀等高性能數(shù)控刀具因其良好的切削性能和服役壽命成為了航空航天、醫(yī)療器械、精密模具、電子通信等高端制造業(yè)不可替代的“利器”。為滿足不斷涌現(xiàn)的鈦合金、鎳基合金、復(fù)合材料等難加工材料以及薄壁、深孔等難加工特征的高精度加工需求，高端整體式數(shù)控刀具通常具有基體材料硬度高、空間幾何形狀特征復(fù)雜、制造成形幾何精度及表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，必須采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床對(duì)圓柱毛坯棒料進(jìn)行磨削加工成形。工具磨削軟件作為工具磨床的“大腦”，控制著砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡、磨削速度、進(jìn)給速度等核心工藝參數(shù)，對(duì)數(shù)控刀具磨削成形精度和質(zhì)量起到了決定性作用。

目前，我國(guó)刀具生產(chǎn)行業(yè)所用工具磨床及其軟件系統(tǒng)幾乎全部來(lái)自進(jìn)口，在付出高昂成本的同時(shí)，設(shè)備的使用、維護(hù)甚至產(chǎn)品信息還必須受制于人，間接導(dǎo)致刀具自主研發(fā)和創(chuàng)新受制于人。

現(xiàn)代工業(yè)軟件集工藝基礎(chǔ)理論和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)于一體。國(guó)外著名工具磨削軟件經(jīng)過(guò)幾十年的理論分析、技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將磨削工藝?yán)碚摵凸こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)緊密相結(jié)合，已形成軟件開發(fā)和升級(jí)的良性循環(huán)，軟件功能不斷拓展。而我國(guó)理論研究和實(shí)踐生產(chǎn)脫節(jié)，高校理論研究成果難以對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行有效指導(dǎo)，工廠豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)由于缺乏理論支撐難以形成成熟的工藝知識(shí)，導(dǎo)致我國(guó)工具磨床軟件開發(fā)始終難以實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)此以往，在國(guó)外已經(jīng)向智能化發(fā)展的情況下，我國(guó)與國(guó)外的差距將不斷擴(kuò)大，高端數(shù)控刀具自主化研制的道路任重而道遠(yuǎn)。

為此，本文通過(guò)闡述工具磨削軟件應(yīng)用工況，梳理了現(xiàn)有工具磨削軟件功能及發(fā)展水平，分析了工具磨削軟件需要突破的關(guān)鍵理論及技術(shù)，提出了目前存在的問題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 工具磨削軟件應(yīng)用工況分析

1.1 工具磨削軟件主要應(yīng)用對(duì)象——整體式數(shù)控刀具

工具磨削軟件主要面向具有復(fù)雜空間幾何結(jié)構(gòu)特征、高附加值的整體式刀具，包括立銑刀、鉆頭、絲錐等，如圖1所示。整體式數(shù)控刀具通常由圓柱毛坯棒料磨削成形，包含溝槽大切深緩進(jìn)給磨削加工、空間曲面磨削成形加工、平面磨削成形加工等工序，要求砂輪可以進(jìn)行復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)。以整體式立銑刀為例，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，如圖2所示。

圖1 工具磨削軟件典型應(yīng)用對(duì)象(WALTER)

圖2 整體式立銑刀的主要磨削特征(ROLLOMATIC)

1.2 工具磨削軟件應(yīng)用載體——多軸數(shù)控磨床及砂輪

由于整體式刀具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床對(duì)其進(jìn)行加工，因此，工具磨削軟件主要控制多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床。工具磨床自1889年美國(guó)辛辛那提公司開始制造以來(lái)，已取得較大發(fā)展，世界上主要的工具磨床結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

整體式刀具通常采用金剛石超硬砂輪磨削成形，在實(shí)際加工中，通常將刃磨一把刀具所用到的砂輪進(jìn)行組合安裝，以砂輪組的形式安裝于磨床，如圖4所示。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)砂輪無(wú)法滿足刃磨要求時(shí)，需設(shè)計(jì)成形砂輪。

圖4 整體式刀具磨削用砂輪組

2 現(xiàn)有商業(yè)工具磨削軟件功能簡(jiǎn)介

目前，工具磨床軟件主要包括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，大部分工具磨削軟件開發(fā)企業(yè)具有自主研制工具磨床的能力，并且企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)的磨床與磨削軟件相匹配，代表性的軟件界面如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)豐富的操作界面以及較快的響應(yīng)速度，該類軟件通常采用Client-Server(C/S)結(jié)構(gòu)(即客戶端服務(wù)器端架構(gòu))，磨床上的軟件通過(guò)局域網(wǎng)與服務(wù)器相連，接受工具制造工藝人員的請(qǐng)求。不同商業(yè)工具磨削軟件主要在功能上存在差異。

表1 主要工具磨削軟件

(a)NUMROTO (b)HELITRONIC TOOL STUDIO

(1)NUM公司的NUMROTO。NUMROTO是一套通用的工具磨削解決方案，其核心是NUMROTOPLUS編程系統(tǒng)，具有碰撞監(jiān)視、三維加工仿真動(dòng)畫模擬等功能。主要特點(diǎn)包括：利用變焦和旋轉(zhuǎn)功能顯示并評(píng)估最微小的運(yùn)動(dòng)和過(guò)程；在銑刀的球頭和圓角部位編輯單獨(dú)的螺旋夾角；能夠?yàn)榘霃浇K點(diǎn)和柱體起點(diǎn)部位編程不同的螺旋角；NUMROTO DRAW模塊可自動(dòng)處理用于磨削刀具的幾何數(shù)據(jù)以生成基本圖紙，并可以打印砂輪裝配圖紙供機(jī)床操作人員使用；3D仿真模塊中坯料的冷卻液孔會(huì)自動(dòng)顯示，并可添加 DXF 對(duì)比輪廓；測(cè)量模式提供比較器功能，編程的進(jìn)給速率可在3D仿真過(guò)程中顯示。

(2)WALTER公司的HELITRONIC TOOL STUDIO。HELITRONIC TOOL STUDIO是德國(guó)WALTER公司產(chǎn)品，主要配套該公司生產(chǎn)的工具磨床。該公司通過(guò)將軟件部門和工具磨床部門相結(jié)合，所開發(fā)的軟件可以在一次裝夾中完成磨削極其復(fù)雜的幾何圖形，允許編輯從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的所有工具參數(shù)。主要特點(diǎn)包括：磨削三維模型的生成僅需要幾秒鐘，且三維模型是實(shí)際磨削加工出來(lái)的實(shí)際尺寸，而不是近似值；模塊化的軟件結(jié)構(gòu)可以生成任意復(fù)雜刀具，不同的工序可以任意無(wú)限次組合，有助于將來(lái)的升級(jí)改造；磨削過(guò)程具有防干涉監(jiān)測(cè)功能，綜合考慮機(jī)床空間、夾盤、砂輪、附加空間尾架、固定中心架等，在每次磨削前自動(dòng)進(jìn)行加工仿真，且發(fā)生干涉時(shí)自動(dòng)停止；刀具測(cè)量誤差小于3 μm，測(cè)量結(jié)果不會(huì)因圖的放大縮小而改變。

(3)ANCA公司的IFLUTE、TOOLROOM、CIM3D、TOOLDRAFT。澳大利亞ANCA公司涉及磨床的所有領(lǐng)域，包括CNC控制系統(tǒng)和應(yīng)用軟件以及磨床及其附件，如開發(fā)出了IFLUTE、TOOLROOM、CIM3D、TOOLDRAFT等一系列磨床配套軟件系統(tǒng)。其中IFLUTE模塊用于設(shè)計(jì)特殊的槽形，可以根據(jù)槽形設(shè)計(jì)成形砂輪或根據(jù)砂輪形狀計(jì)算槽形；TOOLROOM可以簡(jiǎn)易直觀地創(chuàng)建復(fù)雜銑刀的幾何形狀，提高生產(chǎn)率，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)消除高性能復(fù)雜刀具的顫振，提高刀具動(dòng)平衡性能，延長(zhǎng)刀具壽命、增進(jìn)切削量、提高工件的質(zhì)量和精度；CIM3D可以查看磨削過(guò)程和磨削成品模型，在屏幕上進(jìn)行工具模型測(cè)量、碰撞檢測(cè)和工藝改進(jìn)；TOOLDRAFT可以基于CIM3D或TOOLROOM快速簡(jiǎn)便地創(chuàng)建二維圖紙。

(4)ROLLOMATIC公司的VIRTUALGRINDPRO。VIRTUALGRINDPRO與ROLLOMATIC GRINDSMART多軸磨床相配套，標(biāo)準(zhǔn)工具磨削模塊包括鉆頭、立銑刀、成形刀、刀片、鏜桿等，具有二維工程圖紙導(dǎo)出、砂輪磨削速度優(yōu)化、刀具質(zhì)心求解、磨削時(shí)間求解以及自動(dòng)補(bǔ)償功能。主要特點(diǎn)包括：所有砂輪運(yùn)動(dòng)路徑和操作都由可編輯函數(shù)表示，為編程提供了最大的靈活性；通過(guò)作業(yè)管理器功能模塊，可以從相同直徑毛坯中生產(chǎn)出一系列不同幾何形狀的工具；集成70余種磨削案例，方便了新型刀具的研制；通過(guò)加工過(guò)程測(cè)量，具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，便于無(wú)人生產(chǎn)；具有砂輪修整功能，可保證生產(chǎn)的連續(xù)性以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3 工具磨削軟件需要突破的理論難題及關(guān)鍵技術(shù)

工具磨削軟件是典型的工業(yè)軟件，本質(zhì)上是基礎(chǔ)工藝?yán)碚?、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、工藝知識(shí)，需要融合高水平的工程、軟件和數(shù)學(xué)知識(shí)以及技術(shù)人員和應(yīng)用工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技能。

刀具幾何參數(shù)(形)通過(guò)影響刀具剛度、切削刃強(qiáng)度、排屑性能、實(shí)際切削角度及被加工材料表面質(zhì)量來(lái)決定刀具切削性能，刀具表面粗糙度、殘余應(yīng)力等表面質(zhì)量(性)通過(guò)影響刀具疲勞強(qiáng)度、涂層結(jié)合強(qiáng)度及抗磨損性能來(lái)決定刀具服役壽命，形性兼?zhèn)涫歉叨说毒叩谋貍錀l件[2-5]。

為此，工具磨削軟件需要以復(fù)雜曲面磨削成形路徑規(guī)劃、磨削過(guò)程力學(xué)行為、磨削表面質(zhì)量成形機(jī)理、高效高質(zhì)磨削工藝參數(shù)優(yōu)化等工藝?yán)碚摓榛A(chǔ)，結(jié)合工具磨削過(guò)程中冷卻潤(rùn)滑、砂輪磨損等實(shí)踐技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，制造滿足設(shè)計(jì)要求的刀具幾何形狀及磨削表面質(zhì)量?，F(xiàn)有工具磨床軟件被國(guó)外壟斷，相關(guān)技術(shù)文件及文獻(xiàn)資料較少，根據(jù)已發(fā)表文獻(xiàn)資料，結(jié)合數(shù)控刀具成形工藝特征，總結(jié)獲得了工具磨削軟件涉及的關(guān)鍵理論問題、技術(shù)難題及研究現(xiàn)狀。

3.1 幾何成形理論難題及關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

整體式刀具幾何結(jié)構(gòu)成形難點(diǎn)在于具有復(fù)雜曲面特征的螺旋槽精確成形。螺旋槽由砂輪回轉(zhuǎn)面空間包絡(luò)成形，遵循空間包絡(luò)原理，基于此，SHETH等[6]提出螺旋槽刃磨過(guò)程中任意時(shí)刻下砂輪與螺旋槽接觸點(diǎn)處的公法線必過(guò)砂輪軸線；ZHANG等[7]提出螺旋槽成形的三種形式：完全包絡(luò)、包絡(luò)+軌跡、完全軌跡；LI[8]針對(duì)砂輪回轉(zhuǎn)母線上奇點(diǎn)參與磨削的情況，指出螺旋槽分別由砂輪回轉(zhuǎn)輪廓面包絡(luò)以及母線上奇點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成；UHLMANN等[9]進(jìn)一步指出砂輪安裝角度不同時(shí)，螺旋槽前刀面和基面與砂輪邊緣和回轉(zhuǎn)面之間的匹配關(guān)系將發(fā)生改變，針對(duì)螺旋槽磨削幾何成形機(jī)理的總結(jié)如圖6所示。針對(duì)螺旋槽形狀(槽形)、砂輪形狀、砂輪位姿三者之間的幾何匹配關(guān)系，主要開展了已知砂輪形狀和位姿預(yù)測(cè)槽形[10-11]、已知槽形和砂輪形狀求砂輪位姿[12-15]、已知槽形和砂輪位姿反求砂輪形狀[16-17]等方面的研究，如圖7所示。此外，針對(duì)由于緊湊的刀具結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的“過(guò)切”、“欠切”等加工缺陷，陳芳[18]建立了基于球面砂輪的砂輪位姿約束條件；趙文昌[19]給出了“過(guò)切”現(xiàn)象的校驗(yàn)方程式，LIU等[20]采用迭代方法建立了考慮砂輪磨損的砂輪位姿求解算法；LI等[21]開發(fā)了基于“四線”理論的復(fù)雜螺旋槽砂輪軌跡求解算法。

(a)容屑槽幾何成形包絡(luò)原理

圖7 整體式刀具螺旋槽與砂輪匹配關(guān)系研究?jī)?nèi)容[12]

3.2 物理成性理論難題及關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.2.1刀具緩進(jìn)給磨削力學(xué)建模及分析

強(qiáng)磨削力是刀具磨削工藝的重要特征，是導(dǎo)致幾何形狀誤差、表面質(zhì)量缺陷等加工問題的主要原因之一，其中，以螺旋槽緩進(jìn)給磨削尤其突出。UHLMANN等[22-23]使用間接方法測(cè)量螺旋槽磨削過(guò)程中的法向力和切向力，獲得了隨砂輪輪廓變化的材料去除率和未變形切屑厚度；宋鐵軍等[24-25]將砂輪離散為一組不同直徑的單位厚度薄片，建立了軸向磨削力與切向磨削力之間的關(guān)系模型，指出對(duì)磨削力影響程度從高到低的因素依次為砂輪速度、工件軸向進(jìn)給速度、砂輪粒度；PAYREBRUNE等[26-28]研究了螺旋槽磨削加工過(guò)程中的刀具動(dòng)力學(xué)行為，依據(jù)砂輪形貌與磨削力之間的關(guān)系解釋了磨削過(guò)程中實(shí)測(cè)磨削力的波動(dòng)現(xiàn)象；BUREK等[29]通過(guò)磨削試驗(yàn)建立了基于磨削速度vs和砂輪進(jìn)給速度vf的硬質(zhì)合金螺旋槽磨削力二次多項(xiàng)式預(yù)測(cè)模型，該模型同時(shí)考慮了vs與vf之間的交互作用，結(jié)果表明vf對(duì)法向磨削力的影響較大；ASLAN等[30]建立了具有一定規(guī)則的螺旋槽磨削過(guò)程磨削力模型，針對(duì)緩進(jìn)給磨削將磨削力F表示為當(dāng)量磨削層厚度heq與磨削接觸弧長(zhǎng)lg比值的函數(shù)(即F=f(heq/lg))，與此不同的是，PAYREBRUNE等[31]、DITTRICH等[32]分別采用線性擬合、二次多項(xiàng)式擬合的方式獲得了磨削力函數(shù)表達(dá)式。

3.2.2刀具緩進(jìn)給磨削表面質(zhì)量分析

表面質(zhì)量是刀具磨削工藝制定需要考慮的關(guān)鍵因素之一。UHLMANN 等[23]研究了不同砂輪對(duì)磨削表面粗糙度的影響規(guī)律，指出螺旋槽前刀面和基面分別為端面磨削和圓周磨削，因此兩個(gè)表面粗糙度差距較大；宋鐵軍等[24]建立了表面粗糙度求解和預(yù)測(cè)模型，分析了砂輪直徑和砂輪進(jìn)給速度對(duì)磨削表面粗糙度的影響，指出提高磨削速度或降低砂輪進(jìn)給速度均有利于減小表面粗糙度值；BUREK等[29]的研究結(jié)果表明磨削速度和砂輪進(jìn)給速度均會(huì)對(duì)表面粗糙度產(chǎn)生影響；LIN等[33]基于五種不同金剛石砂輪磨削刀具螺旋槽試驗(yàn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著加工工件數(shù)的增加磨削表面粗糙度值逐漸減??；DENKENA等[34]研究了緩進(jìn)給磨削工藝對(duì)磨削表面殘余應(yīng)力的影響，指出磨削表面殘余應(yīng)力隨磨削未變形切屑厚度的增大而增大；黎文娟等[35]開展了D6超細(xì)WC-Co合金磨槽試驗(yàn)，指出對(duì)刀具表面粗糙度影響程度從高至低的因素依次為砂輪粒度、進(jìn)給量、砂輪線速度(幾乎無(wú)影響)；賈康等[36]從接觸線角度分析了砂輪姿態(tài)對(duì)刀具磨削表面質(zhì)量的影響規(guī)律，提出了為提高表面質(zhì)量磨削接觸線應(yīng)位于砂輪切入側(cè)的策略。

3.2.3刀具磨削性能分析

刀具切削性能和服役壽命同樣是刀具磨削工藝制定需要考慮的關(guān)鍵因素之一。UHLMANN等[22-23]分析了磨削工藝對(duì)刀刃質(zhì)量的影響，并通過(guò)優(yōu)化刃磨工藝延長(zhǎng)了Inconel 718銑削刀具壽命，然后研究了不同磨削工藝對(duì)刀具幾何精度以及前刀面表面粗糙度的影響規(guī)律，優(yōu)化了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)銑削時(shí)硬質(zhì)合金立銑刀的壽命，同時(shí)指出螺旋槽的表面質(zhì)量及磨削效率需要進(jìn)一步得到提高；WANG等[37]采用灰色關(guān)聯(lián)度及正交分析方法進(jìn)行研究，指出硬質(zhì)合金立銑刀磨削質(zhì)量、幾何形狀及切削工藝對(duì)高速銑削AISI H13綜合效果的貢獻(xiàn)率分別為11.75%、9.8%、73.11%；ZHAO等[38]通過(guò)試驗(yàn)指出磨削工藝會(huì)對(duì)螺旋槽磨削表面裂紋及殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響鈦合金加工過(guò)程中刀具壽命的穩(wěn)定性；何榮躍等[39]通過(guò)觀測(cè)刃口形貌發(fā)現(xiàn)，砂輪粒度和磨削余量與刀具刃口的崩缺密切相關(guān)，進(jìn)而會(huì)影響刀具壽命。

3.3 磨削工藝優(yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀

磨削工藝優(yōu)化是刀具磨削軟件的核心之一。DITTRICH等[32]針對(duì)加工過(guò)程中刀具的彎曲變形，建立了包括材料去除、磨削力預(yù)測(cè)、撓曲變形等的混合模型，通過(guò)改變砂輪進(jìn)給實(shí)現(xiàn)了變形控制；何榮躍等[39]以刀具刃口崩缺為評(píng)判依據(jù)，優(yōu)化了砂輪粒度及磨削余量；CHEN等[40]采用CAM系統(tǒng)規(guī)劃刀具加工磨削工藝流程及參數(shù)，使加工效率提高了10%；葉軍紅等[41]采用虛擬加工優(yōu)化加工工藝，實(shí)現(xiàn)了避免磨削燒傷和提高磨削效率的目的，同時(shí)建立了復(fù)雜刀具磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；隨卡卡[42]通過(guò)磨削工藝試驗(yàn)指出，提高砂輪線速度可以使刀具的加工質(zhì)量更加穩(wěn)定；劉玉幫[43]分析了砂輪線速度對(duì)砂輪磨削性能的影響，發(fā)現(xiàn)可通過(guò)增大切深來(lái)提高磨削效率；ZHANG等[44]以切削性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化了細(xì)鉆頭刀具磨削砂輪安裝位置和角度；陳康[45]以加工功率、表面粗糙度及加工時(shí)間為目標(biāo)，優(yōu)化了刀具磨削砂輪線速度及進(jìn)給速度；DENKENA等[46-47]針對(duì)刀具再制造面臨的螺旋槽磨削工藝，通過(guò)調(diào)整進(jìn)給實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程均載，同時(shí)綜合考慮芯徑精度、表面粗糙度和加工效率，建立了基于支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)的磨削速度、進(jìn)給速度等磨削工藝變量的優(yōu)化模型，使得加工時(shí)間可縮短38.1%的同時(shí)芯徑誤差減小73.7%。

3.4 理論難題及關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前，有關(guān)刀具磨削成形機(jī)理、工藝求解、性能分析、工藝優(yōu)化等方面的研究已取得了大量成果，但仍存在需要進(jìn)一步解決的問題，主要包括：

(1)在幾何成形方面，一方面，針對(duì)傳統(tǒng)螺旋槽砂輪位姿求解算法已較為成熟，但傳統(tǒng)螺旋槽中的迭代算法、目標(biāo)函數(shù)法均不適用于復(fù)雜螺旋槽，有關(guān)變前角變螺旋角、變前角不變螺旋角等復(fù)雜螺旋槽的幾何成形理論、碰撞干涉分析等研究鮮有報(bào)道，并且對(duì)考慮刀具受力變形而導(dǎo)致螺旋槽幾何誤差的研究需進(jìn)一步深入。

(2)在表面質(zhì)量方面，鑒于緩進(jìn)給磨削復(fù)雜的物理過(guò)程，硬質(zhì)合金刀具磨削工藝對(duì)其表面質(zhì)量作用機(jī)理尚不明確，目前多為試驗(yàn)現(xiàn)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、微觀裂紋、殘余應(yīng)力等對(duì)刀具壽命的影響，缺少考慮砂輪磨損的批量生產(chǎn)刀具性能穩(wěn)定性研究，此外，目前多采用二維幾何結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方式，而忽略了復(fù)雜螺旋槽的三維曲面特性。

(4)在磨削工藝優(yōu)化方面，目前多采用單目標(biāo)優(yōu)化方法，缺少綜合考慮刀具切削性能、壽命、穩(wěn)定性等多目標(biāo)條件下砂輪形狀、運(yùn)動(dòng)軌跡、磨削參數(shù)之間的協(xié)同優(yōu)化，并且基于試驗(yàn)的優(yōu)化模型應(yīng)用在新型刀具上具有局限性。

4 工具磨削軟件發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)高性能數(shù)控刀具在幾何特征復(fù)雜程度、幾何尺寸成形精度、磨削表面質(zhì)量等方面的要求不斷提高，驅(qū)使刀具制造向高柔性、高質(zhì)量、高效率、高穩(wěn)定性、高可靠性等方向發(fā)展。為滿足未來(lái)刀具的制造新需求，工具磨削軟件需要拓展加工過(guò)程監(jiān)測(cè)、加工質(zhì)量預(yù)測(cè)、加工工藝優(yōu)化、加工信息共享等功能，為滿足這些功能，需借助于先進(jìn)的傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，智能化將成為未來(lái)工具軟件發(fā)展的主要趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在：

(1)磨削過(guò)程砂輪磨損預(yù)測(cè)、干涉檢測(cè)及補(bǔ)償智能化。刀具批量生產(chǎn)過(guò)程中砂輪磨損不可避免，雖然砂輪的自銳性可以降低其磨損對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響，但砂輪在幾何結(jié)構(gòu)上的改變將導(dǎo)致同一批次不同次序磨削容屑槽具有尺寸上的微小差異，且精度及穩(wěn)定性降低，此外復(fù)雜刀具刃磨中易發(fā)生砂輪碰撞干涉問題，因此，借助傳感器的及時(shí)感知，通過(guò)軟件算法預(yù)測(cè)砂輪磨損程度，并對(duì)砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行智能調(diào)整和補(bǔ)償，從而避免干涉，提高刀具磨削質(zhì)量穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)磨床的連續(xù)自動(dòng)生產(chǎn)，是刀具磨削軟件發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(2)磨削工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)選智能化。傳統(tǒng)依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行磨削工藝參數(shù)設(shè)置的方法已無(wú)法適應(yīng)數(shù)控刀具向小批量多品種的發(fā)展要求。由于磨削物理過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，故基于機(jī)理的預(yù)測(cè)模型適應(yīng)性較差。以刀具制造企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)生的磨床扭矩、表面粗糙、幾何形狀誤差等過(guò)程大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，建立基于磨削工藝的磨削質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)不斷增加的樣本數(shù)據(jù)量來(lái)提高模型精度和擴(kuò)大適用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型刀具磨削方案的精確、快速制定，是刀具磨削軟件發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(3)面向全生命周期刀具信息智能互聯(lián)。構(gòu)建面向設(shè)計(jì)、制造、使用、修磨、報(bào)廢等全生命周期的刀具數(shù)字孿生模型是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。工具磨削軟件作為刀具成形、成性的決定性因素之一，需要進(jìn)一步與磨床企業(yè)、刀具制造企業(yè)、刀具應(yīng)用企業(yè)信息互聯(lián)，與CAD、CAM、CAE等虛擬仿真環(huán)節(jié)充分融合，形成面向應(yīng)用工況的高性能數(shù)控刀具設(shè)計(jì)制造一體化解決方案，為刀具全生命周期數(shù)字孿生模型提供重要支撐，是刀具磨削軟件發(fā)展的必然趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)要實(shí)現(xiàn)“制造強(qiáng)國(guó)”，必須擁有自主可控的工業(yè)軟件。近年來(lái)，工業(yè)軟件在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性已得到廣泛共識(shí)，在政府的大力推動(dòng)和產(chǎn)學(xué)研各界的努力下，國(guó)產(chǎn)刀具磨削軟件在基礎(chǔ)理論研究方面已取得了豐富成果。然而，由于存在著應(yīng)用基礎(chǔ)先天不足、核心工藝技術(shù)缺乏、理論研究成果難以工程應(yīng)用等諸多挑戰(zhàn)，工具磨削軟件在自主開發(fā)方面仍然任重而道遠(yuǎn)，需要政府、工具磨床制造企業(yè)、刀具生產(chǎn)企業(yè)以及科研院所緊密配合與協(xié)作，在科研人員開發(fā)出軟件框架的基礎(chǔ)上，不斷在“用”中提高穩(wěn)定性、實(shí)用性、成熟度。