基于精雕機的銑削課程創新

陳遠洋，張余益，郭 巍

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

隨著教育教學改革的逐漸深入，我國高等工科教育的人才培養正由知識型向能力型轉化，高等學校由主要重視知識傳授向重視知識、能力、素質和創新思維綜合發展的方向邁進。金工實習是工科高等院校對學生進行工程訓練的重要實踐環節之一，是一門以機械制造基礎知識和技能為主的技術基礎課[1]。

數控銑床是目前使用較為廣泛的數控機床之一，數控銑床教學也是學生金工實習中的重要環節。數控機床加工工藝和程序編寫一直是學生學習的難點，用哪種載體引導學生更好地學習數控銑床，一直是教學工作者研究的問題。通過制作指尖陀螺激發學生對數控機床的興趣，從而理解數控機床的加工工藝與自動編程方法。最后通過裝配讓學生認識到工藝與加工參數對于零件精度的重要性。

1 數控銑削編程基本知識

1.1 機床坐標系

機床坐標系是以機床參考點（由機床廠家設定的固定點）作為坐標原點建立的坐標系，機床坐標系中的坐標值是數控系統判斷刀具位置的依據。

1.2 工件坐標系

工件坐標系是編程時采用的坐標系，工件坐標系原點（簡稱工件原點）的位置是由編程人員設定的，程序中出現的坐標值是指刀具的刀位點在工件坐標系中的坐標。機床坐標系與工件坐標系的關系如圖1 所示。在機床上測量機床原點與工件原點之間的偏移距離，并設置程序原點在以刀位點為參照的機床坐標系中的坐標就是加工之前的對刀。

1.3 加工方法

指尖陀螺制作外形設計與程序編寫使用JDSoft SurfMill 軟件。編程加工方法選擇輪廓切割與區域加工。

輪廓切割的圖形必須是嚴格的輪廓曲線組，所有曲線滿足封閉、不自交、不重疊3 個條件。輪廓切割加工參數半徑補償為刀具相對輪廓曲線的偏移方向，補償方式分為向外偏移、向內偏移和關閉3 種，如圖2 所示。

適合區域加工的圖案可以是任何輪廓曲線圖形或文字，但是這些圖形必須滿足封閉、不自交、不重疊的原則。區域加工參數包括走刀方式及相應的走刀參數。區域加工的走刀方式有3種，分別為行切走刀、環切走刀和螺旋走刀。由于本次毛坯為棒料，所以選擇環切走刀。環切走刀是沿邊界曲線環繞走刀。

2 指尖陀螺造型設計

2.1 設計尺寸

結合指尖陀螺旋轉理念與加工時間，毛坯選擇直徑70 mm的鋁合金棒料，因此學生設計的陀螺外形尺寸不能超過Φ68 mm（考慮毛坯尺寸不是合格的Φ70 mm 棒料）。陀螺成品整體厚度為5 mm。

2.2 設計要求

由于學生初次學習銑削加工，本次提供學生可使用刀具分別為Φ8、Φ6、Φ4 的牛鼻刀（牛鼻刀增大了和材料接觸部分的強度，減少甚至可以避免出現崩刀現象。牛鼻刀與平底刀相比在保持刀具強度的前提下，降低切削線速度，刀具壽命增加）。此次陀螺造型只是凹凸臺階狀，沒有曲面造型，學生設計只需繪制二維圖。根據刀具大小，設計凹槽最小寬度4.5 mm，最小孔直徑5 mm。

2.3 設計方法

選擇JDSoft SurfMill 軟件，切換至2D 繪制界面繪制二維圖。首先確定毛坯與軸承孔大小，依次繪制直徑12.7 mm、17.7 mm、66 mm、74 mm 的圓。然后采用曲線繪制、曲線編輯、變換等命令繪制陀螺造型（在保證設計尺寸與設計要求前提下，陀螺造型自行設計）。

3 編寫程序

3.1 建立工件坐標系

選中二維繪制界面繪制完成的設計圖（確保線條為封閉、不自交、不重疊）。選擇變換中的并入3D 環境命令將二維圖并入3D 造型界面（只能并入一次，否則會有重復線）。

由于此次加工選擇棒料，所以工件坐標系原點建立在圓心。選擇變換中的圖形聚中命令進行X 軸中心聚中、Y 軸中心聚中。建立完工件坐標系后方可進行編程。

3.2 設置刀具、毛坯

建立完成坐標系后進行編程。切換至加工界面，首先要設置加工刀具與系統毛坯。刀具表中設置1 號刀為8 mm 平底刀，3號刀為6 mm 牛鼻刀，5 號刀為4 mm 牛鼻刀（注意：編程時刀具輸出編號要和半徑補償號、長度補償號一致）。毛坯形狀選擇柱體，底半徑和頂半徑為37 mm，錐高15 mm。原點Z 為-15 mm。

3.3 選擇加工方法、修改參數

本次提供選擇加工方法為兩種：區域加工與輪廓切割，區域加工為主，輪廓切割為輔。

在導航工作條刀具平面俯視圖處鼠標右鍵選擇路徑向導，選擇1-2.5 軸加工組下的區域加工與輪廓切割。區域加工主要修改參數為走刀方式、深度范圍、路徑間距、軸向分層、刀具名稱、主軸轉速、進給速度、加工圖形；輪廓切割主要修改參數為半徑補償、深度范圍、軸向分層、刀具名稱、主軸轉速、進給速度。詳細參數說明見附件參數表。

3.4 仿真

在導航工作條刀具平面俯視圖鼠標右鍵選擇加工模擬，仿真前需調整好位置與角度（按下鼠標滾輪，拖動鼠標進行角度調整，滾輪前后進行縮小放大）。點擊播放按鍵進行仿真，檢查路徑是否正確。圖3 為學生仿真結果。

圖3 學生設計仿真圖

3.5 后置處理

在導航工作條刀具平面俯視圖鼠標右鍵選擇輸出路徑，在設置里修改機床輸入文件格式為Eng V6.50（JD50）。完成確定，程序路徑轉換為G 代碼，機床執行G 代碼進行零件加工。

4 課程效果

從毛坯下料到設計編程均由學生獨立完成，通過創意產品的制作，激發學生學習興趣，最終理解數控加工工藝，并且取得良好的教學效果，圖4 為指尖陀螺實物。數控加工工藝就是根據零件圖樣編制零件加工程序，主要包含零件加工順序、加工路線、切削用量以及輔助功能等。指尖陀螺的成型過程可以闡述這一點，達到課程的預期效果。

圖4 指尖陀螺實物

5 總結

以指尖陀螺為載體，讓學生對銑床有總體認識，深入理解與應用數控銑床，了解數控銑床加工零件流程。通過編寫程序，理解和掌握自動編程方法及其參數含義。基于零件不同特征，合理選擇加工方法與參數設置，不僅提高加工質量，而且節省時間。本次實習課程，既是對學生實際操作能力的培訓，又是對理論知識的復習鞏固和延伸，為后期學習打下堅實基礎。