磨削加工与先进工艺NC刀具轨迹生成研究发展现状.docx
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磨削加工与先进工艺NC刀具轨迹生成研究发展现状
磨削加工与先进工艺一磨削加工的基础知识
近几年来，磨床加工有很大的发展，已广泛地应用于机械加工行业，磨削的机械零件有很高的精度和很细的表面粗糙度。
随着机制造的精度提高，一个国家的磨削工艺水平，往往地反映了国家机械制造的水平。
我国制造的著名磨床有“MG1432A型高精度万能外圆磨床，MG7132型高精度平面磨床，MS1312型高速外圆磨磨床，S7450型大螺纹磨床，MK8532型数控凸轮磨床等。
磨床除能磨削外圆，内圆，平面、成型面外，还能磨削螺纹、齿轮、刀具、模具等复杂零件表面加工。
磨床—磨床在磨削工件时，按加工要求不同，工作台纵向运动的速度必须可以调整，能实现无极变速，并在换向时有一定的精度要求，磨床要具备这些条件，磨床的纵向往复运动采用了液压传动，液压传动在磨床的工作台驱动及横向快速进退等方面已广泛应用。
液压传动工作原理—在机床上为改善液压传动的性能，以满足生产加工中的各种要求，磨床工作的液压传动系统是由以下部分组成：
执行部分—液压机（液压缸、液压马达）在压力油的推动下，作直线运动或回转运动，即将液体的压力能转换为机械能。
控制部分—压力控制阀，流量控制阀，方向控制阀等，用以控制液压传动系统所需要的力速度方向和工作性能的要求。
辅助部分—油箱滤油器，油管和油管接头等。
其作用是创造必要的条件以保证液压系统正常工作。
机床的液压传动系统能实现工作台的自动往复运动，砂轮架快速进退运动，砂轮架周期进给，尾架套筒的缩回，车轨润滑以及其它一些动作。
磨削加工的特点及磨削过程
特点
砂轮是由磨料和结合刘粘结而成的特殊多刃具，在砂轮表面每平方厘米面积上约有60～1400颗磨料，每颗磨粒相当于一个刀齿，磨粒是一种高硬度的非金属晶体，它不但可磨削铜，铸铁等较软的材料，而且还可以加工各种淬火钢的零件，高速钢刀具和硬质合金等硬材料以及超硬材料。
砂轮具有较高的周线速长一般35m/s左右，砂轮在磨削时除了对工件表面有切削作用外，还有强烈的挤压和摩擦作用，在磨削区域瞬时温度高达1000℃左右;
砂轮工作面经修正手，可形成极细微的刃口以切除工件表面极薄的金属层。
磨削加工能获得极高的加工精度和极细的表面粗糙度，磨削精度通常达到IT6～IT7公差等级，表示粗糙度可达Ra1.25～0.16µm，如境磨削工件表示粗糙度为Ra0.1µm工件表光滑如境，尺寸精度和形壮精度可达到1um以内，其误差相当于人体头发丝粗细的1/70或更小。
砂轮在磨削时，部分磨钝的磨粒在一事实上的条件下能自动落或崩碎，从而使砂轮保持良好的磨削性能。
磨削过程—金属磨削的实质是工件被磨削的金属表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下生产变形，而后转为磨屑，并形成光洁表示的过程。
金属磨屑过程可分为：
三个阶段，砂轮表示的磨粒与工件材料接触，为弹性变形成为第一阶段，磨粒继续切入工件，工件材料进入塑性变形的第二阶段，材料晶粒发生滑移。
使塑性变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料。
产生挤裂，即进入第三阶段，最后被切离。
磨削的全过程表现为，力和热的作用，以磨削力——磨削时砂轮与工件间发生切削作用和摩擦作用，在砂轮和工件上分别，作用着大、小相等方向相反的力，这种相互作用的力称为磨削力磨削热——磨削时产生的热量较车削，铣削大，热量转入砂轮，磨悄或被切削液带走，然而砂轮是热的不良导体，因此几乎80%的热量转入工件和磨屑，磨削区域的瞬间高温可烧伤工件的表层，并使磨屑时特别注意对工件的冷却。
切削液—过去又称冷却液，主要用来降低度磨削热和减小庞大磨削过程中的摩擦。
切削液的主要作用是：
冷却，润滑，清洗，防锈在切削过程中，把切削液直接浇注在砂轮和工件接触的地方，以达到切削液的作用保证零件加工的质量。
二高精度磨削加工及先进的工艺方法
为了适应各类零件的磨削，磨床和砂轮的品种，性能也有了进一步的发展，在基本型谱的基础上，又生产出，精密型，高精度型，半自动型及数控型等10个系列，各类磨床的精度适应性和专门化程度均有很大提高，如适于模具制造的坐标磨应酬具有加工精度高使用寿命长等特点，近20年来，在我国超硬磨料，如人造金钢石，立方氮化硼等，已广泛地应用于各种高硬度材料的磨削。
要求精度高的机械零件的加工方法一般分为粗磨—半精磨—精磨—精密磨—超精磨五个阶段。
磨削加工一般是属于零件的后道工序，即零件的精加工。
困此零件的尺寸精度和相关面的位置精度以及有关表示的形状精度和表示粗糙度，都要在磨削中得到最后控制和保证，所以必须仔细分析和研究零件图及技术要求，根据对零件图的分析研究，就可以初步确定零件的加工顺序和所采用的加工方法。
例如：
尺寸精度IT6级，表示粗糙度为Ra0.8—0.1um时一般只需要经过粗磨，精磨或粗磨，精磨或粗磨。
精磨和精密磨削，尺寸精度在IT6—IT5表示粗糙度为0.1um～Ra0.5um时，一般要经过粗磨，半精磨，精磨，高精度磨削加工。
磨削加工所用的机床除特殊机床外，一般采作通用工艺装备，以降低生产成本取得良好的经济效果，成批大量生产时，可以根据零件的加工精度和技术要求，尽量采用专用夹具，专用量具，以满足高生产率的要求，砂轮的选择也应可能按照不同工序的不同要求考虑，磨料，粒度，硬度，尺寸等这样人但能保证工件的加工精度，同时对提高生产率也有利。
大批量的机械零件生产中，零件的产生相当稳定并广泛采用专用机床的自动生产线，生产率极高，整个生产过程按一事实上节拍自动循环，操作工人只是在自动生产线的一端装上毛坯，在另一端卸成品，并监视自动线的正常运转，就可以了，我国已在汽车，拖拉机，轴承承等生产中建立了许多自动线，现在的机械制造基本特征是：
多品种，中、小批生产占主导地位，工厂生产的产品经常地更换，以适应市场的竞争，目前除采用先进高效，高速磨削，强力磨削外，还逐步采用先进的自动或半自动磨削，数控磨削，适应控制磨削，和成组工艺等新技术，达到较高的生产率和设备负荷率。
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基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法
CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直到现在的参数化特征造型。
在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。
这种加工要求操作人员的水平较高，交互复杂。
在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。
实体加工的加工对象是一个实体（一般为CSG和B-REP混合表示的），它由一些基本体素经集合运算（并、交、差运算）而得。
实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工，大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与开发，是特征加工的基础。
实体加工一般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。
实体加工的实现方法为层切法（SLICE），即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等距线作为走刀轨迹。
本文从系统需要角度出发，在ACIS几何造型平台上实现了这种基于点、线、面和实体的数控加工。
基于特征的NC刀轨生成方法
参数化特征造型已有了一定的发展时期，但基于特征的刀具轨迹生成方法的研究才刚刚开始。
特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息（如：
点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。
W.R.Mail和A.J.Mcleod在他们的研究中给出了一个基于特征的NC代码生成子系统，这个系统的工作原理是：
零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工的总和。
那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。
而每一形状特征或形状特征组的NC代码可自动生成。
目前开发的系统只适用于2.5D零件的加工。
LeeandChang开发了一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。
这个系统的工作原理是：
在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征就被转换成一个凹特征。
最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称为虚拟模型的一种间接产品模型。
刀具轨迹的生成方法分成三步完成：
（1）、切削多面体特征；
（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。
Jong-YunJung研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。
文章把基于特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。
文章主要针对几种基本特征（孔、内凹、台阶、槽），讨论了这些基本特征的典型走刀路径、刀具选择和加工顺序等，并通过IP（InterProgramming）技术避免重复走刀，以优化非切削刀具轨迹。
另外，Jong-YunJong还在他1991年的博士论文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路径。
特征加工的基础是实体加工，当然也可认为是更高级的实体加工。
但特征加工不同于实体加工，实体加工有它自身的局限性。
特征加工与实体加工主要有以下几点不同：
从概念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体，不带有任何功能语义信息；实体加工往往是对整个零件（实体）的一次性加工。
但实际上一个零件不太可能仅用一把刀一次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零件既要用到车削，也要用到铣削。
因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。
而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。
对于特定的特征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在STEP标准规定的特征更是如此。
如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成的零件的加工其方便性就可想而知了。
倘若CAPP系统能提供相应的工艺特征，那么NCP系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。
而这些实体加工是无法实现的；特征加工有利于实现从CAD、CAPP、NCP及CNC系统的全面集成，实现信息的双向流动，为CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基础；而实体加工对这些是无能为力的。
现役几个主要CAD/CAM系统中的NC刀轨生成方法分析
现役CAM的构成及主要功能
目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：
一体化的CAD/CAM系统（如：
UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等）和相对独立的CAM系统（如：
Mastercam、Surfcam等）。
前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。
然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。
下面仅就一些著名的CAD/CAM系统的NC加工方法进行讨论。
UGII加工方法分析
一般认为UGII是业界中最好，最具代表性的数控软件。
其最具特点的是其功能强大的刀具轨迹生成方法。
包括车削、铣削、线切割等完善的加工方法。
其中铣削主要有以下功能：
PointtoPoint：
完成各种孔加工；
PanarMill：
平面铣削。
包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等；
FixedContour：
固定多轴投影加工。
用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张曲面上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线；
VariableContour：
可变轴投影加工；
Parameterline：
等参数线加工。
可对单张曲面或多张曲面连续加工；
Zig-ZagSurface：
裁剪面加工；
RoughtoDepth：
粗加工。
将毛坯粗加工到指定深度；
CavityMill：
多级深度型腔加工。
特别适用于凸模和凹模的粗加工；
SequentialSurface：
曲面交加工。
按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动提供最大程度的控制。
EDSUnigraphics还包括大量的其它方面的功能，这里就不一一列举了。
STRATA加工方法分析
STRATA是一个数控编程系统开发环境，它是建立在ACIS几何建模平台上的。
它为用户提供两种编程开发环境，即NC命令语言接口和NC操作C++类库。
它可支持三轴铣削，车削和线切割NC加工，并可支持线框、曲面和实体几何建模。
其NC刀具轨迹生成方法是基于实体模型。
STRATA基于实体的NC刀具轨迹生成类库提供的加工方法包括：
ProfileToolpath：
轮廓加工；
AreaClearToolpath：
平面区域加工；
SolidProfileToolpath：
实体轮廓加工；
SolidAreaClearToolpath：
实体平面区域加工；
SolidFaceToolPath：
实体表面加工；
SolidSliceToolPath：
实体截平面加工；
Language-basedToolpath：
基于语言的刀具轨迹生成。
其它的CAD/CAM软件，如Euclid,Cimitron,CV,CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。
现役CAM系统刀轨生成方法的主要问题
按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接（通过中性文件）的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。
CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD/CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。
因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。
如：
制造工程师必须选择加工对象（点、线、面或实体）、约束条件（装夹、干涉和碰撞等）、刀具、加工参数（切削方向、切深、进给量、进给速度等）。
整个系统的自动化程度较低。
在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息（直线和圆弧的几何定位信息），以及少量的过程控制信息（如进给率、主轴转速、换刀等）。
因此，下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求（如公差、表面光洁度等），也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。
CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。
例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。
CAM系统是一个独立的系统。
CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。
CAM系统不能充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的加工数据信息。
这就给并行工程的实施带来了困难。
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