五軸數控銑削本科畢業設計指導與實踐

王朝琴， 王小榮

(1. 蘭州交通大學 鐵道技術學院， 甘肅 蘭州 730010;2. 蘭州交通大學 機電工程學院， 甘肅 蘭州 730030)

制造業是國民經濟的主體，是“立國之本，興國之器，強國之基”，沒有強大的制造業，中華民族的崛起就失去了基礎。在我國制造業面臨轉型的關鍵時期，國務院于2015年5月發布了的“中國制造2025”[1]，這個被稱為中國版“工業4.0”的國家規劃為我國制造業制定出3個10年的“三步走”戰略。“中國制造2025”的成功實施，必將使我國制造業實現從低端向高端的轉變，并進一步占領全球制造業制高點。作為21世紀制造業競爭的核心技術，“中國制造2025”也為我國數控技術和數控機床的發展指明了道路。

數控技術已經作為制造業的利器，在各個行業產生了深入而持久的影響力，扮演著升級制造業利器的關鍵角色。因此，數控機床也被“中國制造2025”列為國家大力推動重點領域的第2位，數控技術和數控機床在我國制造業中的重要性可見一斑。21世紀制造業的競爭實質上是數控技術的競爭，而數控技術的競爭實質上是人才的競爭，建設一批高素質的數控人才隊伍，對發展我國數控技術和數控機床、提高我國制造業競爭水平和保證“中國制造2025”順利實施具有根本性的決定意義。

在本科人才培養各教學環節中，本科畢業設計是高校實現人才培養目標最具綜合性的實踐教學環節，是培養學生運用所學知識分析解決實際問題能力、獨立工作能力和創新意識的重要途徑[2-5]，是學生系統學習專業知識、加強實踐以提高綜合能力的一次重要綜合教學過程[6-7]，也是一所高校教學質量的反映。作為一門實踐性非常強的課程[8]，數控技術在機械類課程中歷來是最受學生歡迎的課程，然而現有的以三軸數控銑床為平臺的本科數控教育相當普及，不能滿足工業界對多軸數控加工人才的急迫需求，開展五軸數控銑削教學成為數控教育當務之急。

1 五軸數控銑削本科畢業設計體系

圍繞五軸數控銑削，可以設置基于UG、ProE、 CATIA和PowerMill等軟件系統的多軸銑削畢業設計題目，研究內容要具有綜合性，能有效綜合訓練CAD、CAM、數控編程、數控加工工藝、機械制造工程、機械設計和機械原理等方面的課程。研究對象要有代表性，要有工業應用背景，而且是具有復雜曲面特征的零件，鼓勵學生自行選擇研究對象。以“葉輪葉片CAD建模及五軸CAM仿真”畢業設計題目為例(見圖1)，選擇極為典型的五軸加工對象——葉輪葉片[9-12]為畢業設計研究對象，選取一個集成制造軟件為平臺，依托葉輪葉片設計理論和曲面設計理論，結合五軸數控銑床、切削原理和選定品牌數控系統，可以完成葉輪葉片從CAD建模到CAM的全過程訓練，貫通本科期間所學課程如數控機床結構、集成制造軟件、機械加工工藝和機器人運動學等諸多課程內容。

圖1 五軸數控銑削類畢業設計實例

2 五軸數控銑削本科畢業設計實施

由于本科畢業設計只有60～70 d時間，合理安排各階段的任務是保證高質量完成畢業設計的前提。圖2是以“葉輪葉片CAD建模及五軸CAM仿真”為例進行的畢業設計各階段安排。

圖2 畢業設計各階段任務

五軸數控銑削類畢業設計按65 d進行，以“葉輪葉片CAD建模及五軸CAM仿真”為例，第一階段15 d學習CNC機床基礎，第二階段10 d學習數控加工工藝，第三階段10 d完成葉輪葉片CAD建模，第四階段完成葉輪葉片CAM和仿真，第五階段用于撰寫論文并準備答辯。在上述5個階段的緊張學習中，學生可完成五軸數控銑削所涉及到的各方面的知識理論，并圍繞葉輪葉片的CAD和CAM完成融匯貫通，并以仿真結果得以體現。

3 五軸數控銑削本科畢業設計實施效果

以“葉輪葉片CAD建模及五軸CAM仿真”為例，本課題要求學生基于UG完成相關工作。

3.1 葉輪葉片CAD建模

圖3為學生葉輪葉片建模結果。葉輪葉片的結構設計一般是針對葉片結構特征庫為基礎進行結構快速設計，它涉及到的關鍵技術有特征分析、特征建模和特征參數化等。建模的難點在于前緣和后緣的扭曲程度的設計，扭曲程度過大，葉片在實際工作中的變形較快，使用時間減少；扭曲程度過小，會影響整個發動機的工作效率。從幾何上表示，葉形參數優化可分為解析法、B樣條曲線、bezier和NURBS 4種方法。

圖3 葉輪葉片

3.2 定義部件、毛坯和檢查幾何體

葉輪葉片分析包括輪轂、包覆、葉片、葉根圓角、分流葉片5部分。葉輪葉片加工使用五軸編程方法來加工。

(1) 指定部件:指定葉輪葉片。

(2) 指定毛坯:毛坯由包覆葉輪葉片，車床圓柱得到。

(3) 指定檢查體:指定裝夾具體。

定義幾何體、為銑削定義毛坯和銑床所用夾具體，毛坯與夾具體通過螺栓一同連接到銑床。

3.3 定義葉片幾何體

如圖4所示定義輪轂、包覆、葉片、圓跟角。

圖4 輪轂、包覆、葉片、圓跟角

3.4 創建刀具

根據工藝要求，創建不同規格銑刀。

3.5 安裝部件到機床

(1) 從庫中調取機床。

(2) 選擇sim-mill-5ax-sinumerik-mm(AC轉臺，五軸，西門子控制系統)。

(3) 將毛坯夾具體裝夾到機床上，見圖5。

圖5 夾具體和毛坯裝夾到機床結果

3.6 加工工序編程

零件的編程以毛坯開始，遵循由粗到精加工順序，分別完成葉片粗加工(輪轂粗加工)、葉片精加工、分流片精加工、輪轂精加工、葉根圓角精加工和分流片葉根角精加工，并在UG中通過仿真(見圖6)檢查是否有碰撞、過切和欠切等錯誤，完成葉輪葉片的全部加工。

圖6 毛坯與輪轂粗加工仿真結果

3.7 后處理與程序生成

選擇西門子五軸后處理，該后處理A軸與C軸同一平面內，后處理生成西門子840D控制對應CNC程序。

3.8 Vericut仿真驗證

在Vericut環境下，仿真前先做如下設置:

(1) 數控系統與機床的選擇:控制系統選擇西門子系統840D，機床為UG庫中機床，重新在Vericut中組裝，即為AC轉臺的五軸數控銑床；

(2) 添加毛坯與夾具體:φ100 mm×100 mm圓柱體毛坯；

(3) 設置G代碼偏置:偏置名為程序零點，位置從組件tool到坐標原點的PROGRAM_ ZERO；

(4) 添加刀具。

在完成上述設置后，將3.7中生成的程序導入Vericut中，可以驗證所采用的加工策略和程序代碼的正確性，圖7為Vericut環境下的仿真情況。

圖7 葉輪葉片五軸數控銑削VERICUT仿真加工情況

4 結語

通過五軸數控銑削加工類畢業設計鍛煉，學生很好地掌握了五軸數控編程關鍵技術，成功地完成了復雜零件的五軸數控加工編程及仿真，建立了從事數控多軸加工的基本信心，為將來的職業奠定了堅實基礎。

通過合理設置五軸數控銑削類畢業設計題目，每年有5～10名學生選擇此類型畢業設計，完成效果喜人，學生普遍表現出了前所未有的積極性，保質、保量地完成畢業設計。此類題目的設置和實施，極大地提高了學校在數控技術方向對學生的培養水平，為我國數控行業輸送出高級別數控人才，取得了良好的社會效益。

References)

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