車銑加工在工程訓練教學中的應用

孫 濤，秦錄芳，傅玉燦

（1.徐州工程學院機電工程學院，江蘇徐州 221018；2.南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

0 引言

工程訓練作為高校重要的實訓教學環節，有利于培養和鍛煉學生綜合運用所學專業理論和技能、獨立工作、動手實踐等能力，也利于培養學生良好的職業道德、工程素養、團隊協作精神等［1］。此外，使學生掌握和應用高新技術能力、實現與企業無縫對接，也是工程訓練應該承擔的角色。當前，機械學科發展日新月異，新的加工設備、加工技術和加工工藝不斷涌現和發展，要適應時代的步伐，培養適合企業需求的人才，除了了解傳統的機械加工設備、技術和工藝方法，更需要了解和學習機械加工技術的現況和發展方向［2］。

車銑加工作為一種充分適應數控加工條件的高效精密加工技術，是利用工件和銑刀旋轉的合成運動來實現對工件的切削加工。相對于傳統車削和銑削，具有易于排屑和冷卻、切削力小、加工效率高、加工精度高等特點［3］。作為一種有別于傳統車削和銑削的高效精密加工技術的典型代表，在工程訓練中開設此課程，通過對車銑加工和傳統車削加工的對比和分析，有助于加深學生對傳統加工方式的理解，同時也有助于學生了解相關先進制造技術及行業發展動態，激發學生學習興趣和創新精神，提高其實踐動手能力。

本文結合車銑加工實訓課程的開設，規劃車銑加工課程的實訓過程，探討所設課程對學生學習興趣以及實訓教學效果的影響。

1 車銑加工技術

車銑加工技術是利用工件的旋轉、銑刀的旋轉和銑刀沿工件的軸向移動3 個運動合成實現對軸類零件切削加工的。按銑刀與工件的相對位置分為軸向、正切和正交車銑，如圖1 所示。正交車銑的銑刀回轉軸線與工件的回轉軸線相互垂直，是加工大型回轉體和細長軸類零件的一種高效方法，由于其不受工件直徑、長度的限制，所以應用最為廣泛［4-5］。

圖1 車銑加工的主要運動形式

由于銑刀旋轉速度是決定切削速度的主要因素，因此，車銑加工在工件低速旋轉的狀態下也可以通過銑刀的高速旋轉實現高速加工。相對于車削，車銑加工具有易于排屑、切削溫度低、徑向力小、加工表面粗糙度高等優點，因此已廣泛應用于細長軸、大型回轉類零件、曲軸、葉片等復雜結構件以及鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料的加工［6-10］。圖2 為車銑加工的一些應用［3］。

圖2 車銑加工的應用

2 車銑加工技術在工程實訓教學中的應用

2.1 實訓設備、刀具及材料

教學內容涉及車削和車銑加工，車削加工實訓在數控車床或普通車床上完成，車銑加工實訓在MAZAK INTEGREX200-IVST車銑復合加工中心上完成（見圖3）。

圖3 MAZAK INTEGREX200-IVST車銑復合加工中心

教學內容涉及的刀具包括車刀和車銑刀具。車銑加工選用Sandvik 公司提供的刀桿和刀片，用于正交車銑的精加工，如圖4 所示。刀桿ISO型號為CoroMill 390 立銑刀桿；裝夾刀片材料為TiAlN涂層硬質合金，刀片ISO 型號為：R390-11 T3 08E-PLW 1130，前角為16°，后角為12°，切削直徑為20 mm。

圖4 正交車銑銑刀

車削和車銑加工材料為?100 mm的TC21 鈦合金棒料。TC21 鈦合金采用準β 鍛造＋雙重退火的熱處理工藝，鍛件組織為網籃結構。加工材料的金相組織見圖5，其化學成分和主要性能見表1、2［11］。

圖5 TC21鈦合金的金相組織（1 050X）

表1 試驗材料的化學成分（質量百分比）

表2 TC21 鈦合金的主要物理和力學性能

測量儀器為表面粗糙度：Mahr M1 便攜式粗糙度儀；刀具磨損狀態和金相顯微組織：KH-7700 三維視頻顯微系統；顯微硬度：HXS-1 000 A數顯顯微硬度計。

2.2 車銑加工原理

車銑加工分為軸向、正切和正交車銑3 種方式，由于時間受限，所以本課程只對學生講解最為常用的正交車銑加工原理。正交車銑加工用的銑刀底刃是直線，銑刀和工件的中心線相互垂直，銑刀與工件常見的4 種偏心關系如圖6 所示，圖中rw為工件半徑，rt為刀具半徑，lt為刀刃寬度，nw為工件轉速，nt為刀具轉速，ap為切削深度，e為偏心距。其對應的銑刀最大軸向進給量famax分別如下式所示：

通過以上偏心量e與最大軸向進給量famax關系的分析可知，在其他條件相同的情況下，當偏心＝rt－lt時，可采用的famax為最大值，即獲得的加工效率最大。在采用正交車銑進行工件精加工時，須遵守以上偏心量e 與最大軸向進給量famax的關系規則，否則會出現類似于螺紋加工的情況，從而無法保證合格的加工表面質量。

TC21 車削在濕切條件下加工，加工參數事先由指導教師根據單因素試驗法得到合理加工參數，如表3所示。實際加工時，精加工余量一般不超過0.5 mm，結合上述公式制定正交車銑加工的加工參數如表4所示。

圖6 偏心量與最大進給量的關系示意圖（正交車銑）

表3 車削加工參數

表4 正交車銑加工參數

2.3 實訓步驟

在整個實訓過程中，每臺車床和車銑復合加工中心各配備1 名教師。已參加過車床操作的學生3 或4人1 組，依次在車床和車銑復合加工中心上分別進行車削和車銑加工操作。具體實訓過程如下：①由指導教師對車銑加工原理和工藝過程進行講解，重點介紹車銑加工切削參數的選擇原則（以正交車銑加工為例）；②指導教師對車銑復合加工中心操作過程和編程事項進行講解和演示；③學生分別對TC21 進行車削和車銑加工操作，相應的切削參數由指導教師給定；④加工后的樣件分別進行以下內容的測量：加工效率、刀具磨損情況和加工表面完整性（表面粗糙度、表層金相組織和加工硬化），測量儀器的操作過程和規范先由指導教師演示。

在整個實訓過程中，學生如有問題可隨時請教教師，但學生以主動式和探討式學習為主，互相討論、分析和學習，指導教師主要負責安全和突發事件的處理，不主動參與學生的指導。

2.4 實訓結果討論和分析

實訓中每個學生都要參與TC21 鈦合金的車削和車銑加工，并通過測量數據結果對TC21 這種難加工材料在車削和車銑加工中的加工性能進行討論和分析。在這一過程，學生會主動問一些問題，如：車銑加工的運動規律和切削參數選擇的依據？為什么車削和車銑加工的切屑不一樣？為什么車銑加工表面粗糙度值相對較小？為什么車銑加工表面硬化小？為什么車銑比車削的加工效率高？此類問題的提出和解答，有效提高了學生的學習興趣，調動了學生的學習積極性，加深了其對工程訓練、數控技術、機械制造技術基礎、特種與精密加工技術等課程理論知識的理解。同時，通過傳統加工機床和先進加工機床的操作對比，使學生對兩類機床的特點有了進一步理解，并且通過對各種機床、測量儀器的操作，提高了學生的實踐動手能力。

最后，指導教師會布置一些思考題和作業檢驗學生的學習效果。如：難加工材料為什么難加工，體現在哪些方面？車銑加工相對于車削和銑削為什么具有優勢？

上述在實訓過程中不斷提出的問題和解答，不僅激發了學生主動學習的求知欲，而且培養和鍛煉了學生綜合運用所學專業理論和技能、獨立工作的能力，有利于開發學生的創造能力和團隊協作精神，效果很好。學生實訓過程中的部分結果如圖7～9 所示。

圖7 TC21車銑和車削加工的刀具耐用度和材料去除率

圖8 正交車銑TC21的已加工表面顯微硬度

圖9 TC21已加工表面的金相顯微組織

3 結語

通過實施車銑加工課程的實訓改革，學生的學習興趣大增，教學質量的提高主要體現在以下幾點：

（1）通過對車銑加工和傳統車削加工的對比和分析，有助于加深學生對傳統加工方式的理解，也有助于學生了解相關先進制造技術及行業發展動態。

（2）通過實訓過程中學生的自主學習，自發提出問題和解答，激發了學生主動學習的求知欲，培養和鍛煉了學生綜合運用所學專業理論和技能、獨立工作的能力，有利于開發學生的創造能力和團隊協作精神。

（3）通過對先進設備和儀器的操作和實踐，鍛煉了學生的操作能力，有助于培養適合企業實際需求，也為學生后續各課程的試驗或者研究生學習打下了一定的實踐基礎。