數(shù)控五軸加工葉輪的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

董子源，沈春根，陳 煒，朱和軍，陳 俊

(1.江蘇大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.工業(yè)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 機(jī)電工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212016)

《數(shù)控技術(shù)》和《CAD/CAM技術(shù)》是本科院校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化、模具設(shè)計(jì)與制造等專業(yè)的主干必修課程。根據(jù)教學(xué)大綱的要求，教學(xué)內(nèi)容以理論知識講授為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程實(shí)訓(xùn)等教學(xué)環(huán)節(jié)為輔［1－2］。在這兩門課程的教學(xué)目標(biāo)中，共同的特點(diǎn)是培養(yǎng)既有堅(jiān)實(shí)理論知識，又有較強(qiáng)解決生產(chǎn)實(shí)踐問題能力的高級工程技術(shù)人員。近年來，眾多高校實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，對上述兩門課程的教學(xué)要求又提出了更高的目標(biāo):培養(yǎng)出合格的、高水平的卓越工程師，能夠快速適應(yīng)企業(yè)的技術(shù)工作，滿足企業(yè)對高級應(yīng)用型人才“拿來就用”的需求，這也成為擺在教學(xué)管理人員和教師們面前的一個緊迫問題［3－4］。

正是由于《數(shù)控技術(shù)》和《CAD/CAM技術(shù)》兩門課程教學(xué)內(nèi)容的實(shí)踐性非常強(qiáng)，就需要不斷去探索這兩門課程對應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)方法并改革教學(xué)模式。為適應(yīng)企業(yè)對高級人才的需求，需要將最新和最前沿的新技術(shù)、新方法、新工藝和新軟件融入到教學(xué)內(nèi)容中，通過理論、實(shí)踐一體化現(xiàn)場教學(xué)、項(xiàng)目教學(xué)法等教學(xué)理念和方法，切實(shí)增強(qiáng)教學(xué)效果和學(xué)生的工程實(shí)踐能力［5］，因此，將五軸加工技術(shù)納入數(shù)控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)或者實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)和開發(fā)與之相應(yīng)的、具有典型性和綜合性的教學(xué)案例［6］，能保證教學(xué)內(nèi)容的時效性，不失為教學(xué)改革的一個重要舉措。

1 開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義

1.1 數(shù)控五軸加工的工程背景

數(shù)控加工技術(shù)正朝著高速化、高精度化、復(fù)合加工和智能化等方向發(fā)展，其中數(shù)控五軸聯(lián)動加工(簡稱:數(shù)控五軸加工)相對于傳統(tǒng)的三軸加工而言，可以實(shí)現(xiàn)刀具軸相對于加工零件的姿態(tài)角度隨時調(diào)整，避免了刀具干涉、欠切和過切現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了加工效率和精度，解決了許多復(fù)雜零件型面難于加工的問題;常被用于具有復(fù)雜曲面零件和大型精密模具的精加工，目前，已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、大型模具及軍工領(lǐng)域，成為關(guān)鍵零件復(fù)雜型面精加工的主要解決方法［7］。

1.2 納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

經(jīng)過十多年的發(fā)展和積累，國內(nèi)不少工科本科院校和高職院校為適應(yīng)高速加工和多軸加工(包括四軸聯(lián)動加工和五軸聯(lián)動加工)技術(shù)及其應(yīng)用的科研和教學(xué)的需要，增添了多軸加工數(shù)控教學(xué)設(shè)備和相應(yīng)的教學(xué)軟件，已逐步把這些高端、昂貴的設(shè)備納入到實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，希望培養(yǎng)出高級數(shù)控編程技術(shù)人才。筆者多方調(diào)研得知:該類課程的總體教學(xué)效果不令人滿意。這固然有數(shù)控五軸加工技術(shù)自身難度大、教學(xué)設(shè)備的損耗費(fèi)用高、教學(xué)課時不足等客觀原因，但適宜的教材、指導(dǎo)書和課件等教學(xué)資源不足，特別是教學(xué)案例的缺乏更是難以保證產(chǎn)生良好的教學(xué)效果。因此，針對數(shù)控五軸加工技術(shù)研究和教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)和開發(fā)典型的、來源于生產(chǎn)實(shí)踐的工程教學(xué)案例，是提升教學(xué)效果的必經(jīng)之路。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源和前提知識

2.1 教學(xué)模型和教學(xué)資源

1)教學(xué)模型的選用。整體式葉輪是動力機(jī)械產(chǎn)品上的一個關(guān)鍵零件，其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個重要課題，加工質(zhì)量直接影響產(chǎn)品整體的動力性能和機(jī)械效率。葉輪結(jié)構(gòu)種類很多，一般選擇整體式結(jié)構(gòu)的葉輪作為教學(xué)對象。整體式葉輪主要由輪轂和葉片組成，輪轂和葉片之間都有圓角過渡。其加工難點(diǎn)表現(xiàn)為:(1)整體葉輪形狀復(fù)雜，其葉片為非可展扭曲直紋面;(2)葉輪相鄰葉片的空間較小，并且在徑向上隨著半徑的減少流道越來越窄，造成刀具很容易和加工表面產(chǎn)生干涉。

2)教學(xué)軟件的選用。目前，國內(nèi)企業(yè)中使用的多軸數(shù)控加工編程通用軟件有UG NX、MasterCAM、PowerMill等，而UG NX是一個集CAD/CAM/CAE于一體的產(chǎn)品生命周期大型工程軟件。由于其強(qiáng)大的數(shù)控自動編程功能，使其在國內(nèi)數(shù)控編程軟件中占據(jù)主導(dǎo)地位，其CAM模塊中的多軸加工操作類型——變軸多軸銑削加工(variable axis milling)和變軸順序銑削加工(sequential milling)提供了靈活的刀路驅(qū)動方法和刀軸控制方法，使得多軸編程的操作變得容易和方便。因此，選用UG NX作為教學(xué)軟件實(shí)施葉輪CAD/CAM的整個流程，鼓勵學(xué)生采用UG NX8.0版本中自帶的葉輪智能加工功能［8］。

3)教學(xué)設(shè)備簡介?？梢詫?shí)現(xiàn)五面體加工及五軸聯(lián)動加工的Mikron UCP 800 Duro加工中心1臺，除了3個線性移動進(jìn)給軸，還帶有工作臺擺動(A軸)和旋轉(zhuǎn)(C軸)，數(shù)控系統(tǒng)為海德漢ITNC 530，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到20 000 r/m。另外，整體葉輪的葉片壁厚很小，這就需要主軸和刀柄具備高速切削的條件以及采用能實(shí)現(xiàn)高速切削的各類刀具，還需要穩(wěn)固安裝葉輪毛坯的工裝夾具。

2.2 完成實(shí)驗(yàn)的前提知識

要完成葉輪數(shù)控五軸編程加工的教學(xué)任務(wù)，要求學(xué)生具備CAD/CAM原理、數(shù)控編程加工、數(shù)控加工工藝和UG NX CAD/CAM基礎(chǔ)知識及其軟件操作技能。同時，在前面課程中已經(jīng)完成了整體式葉輪的三維造型，特別是掌握了多軸加工中的刀軸控制方式和驅(qū)動方法及其類型。此外，還需要對五軸數(shù)控機(jī)床的基本功能和操作有所了解。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排在數(shù)控銑削編程實(shí)驗(yàn)、數(shù)控車削編程實(shí)驗(yàn)和CAD/CAM一體化綜合實(shí)驗(yàn)之后實(shí)施，效果最為理想。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體設(shè)計(jì)

3.1 葉輪自動編程和現(xiàn)場加工的流程

掌握和理解葉輪自動編程的加工流程、關(guān)鍵操作和主要參數(shù)，是達(dá)到多軸加工技術(shù)教學(xué)目標(biāo)的基本要求。葉輪自動編程的加工流程可以歸納如下:

1)制定合理的加工工藝規(guī)程。整體葉輪的主要加工部位為輪轂流道、葉片和兩者之間的過渡圓角。在葉片周圍有大量的材料需要去除，在安排工藝規(guī)程時要遵循基準(zhǔn)先行、先粗后精、先主后次的工藝原則，將加工順序主要劃分為整體粗加工、流道曲面和葉片曲面的半精加工和精加工三個階段。

2)選擇合理的刀具類型和切削參數(shù)。根據(jù)上述工序要求和教學(xué)模型的材料，選擇立銑刀作為粗加工刀具，選擇球頭刀作為半精加工和精加工的刀具，制定各自合理的刀具規(guī)格和切削參數(shù)以及各個工序間的加工余量。

3)葉輪自動編程的通用設(shè)置。創(chuàng)建葉輪自動編程的程序名稱;創(chuàng)建加工幾何(包括確定加工坐標(biāo)系及其原點(diǎn))、葉輪部件幾何、毛坯幾何和安全平面;創(chuàng)建各個刀具及其參數(shù);創(chuàng)建各個工序間的加工余量。

4)整體葉輪的粗加工。該過程的目的是去除大量材料，采用高效率的刀具路徑提高粗加工的效率。采用UG NX提供的型腔銑(cavity mill)操作以平面切削層來切削毛坯，刀具再每層沿著幾何體的輪廓加工。該方法效率高但加工余量大且不規(guī)則，還需要采用可變軸輪廓銑(variable contour)操作進(jìn)行補(bǔ)充加工，選擇輪轂的流道曲面作為零件面(part geometry)和驅(qū)動幾何面(drive geometry)，葉片的兩個側(cè)面作為干涉檢測面。

5)流道曲面的半精加工。該過程的加工對象是流道曲面，采用可變軸輪廓銑操作，選擇相鄰葉片間的流道曲面作為部件幾何體，將整個葉輪部件作為檢查幾何體，驅(qū)動方式選擇為“曲面區(qū)域”，驅(qū)動幾何體和部件幾何體相同。該操作的難點(diǎn)是需要選擇合理的刀軸矢量方式，可以預(yù)先構(gòu)建好矢量控制線，選用插補(bǔ)方式(interpolate)并通過在指定的點(diǎn)定義矢量方向，從而控制刀具軸的姿態(tài)，避免刀具在葉片之間產(chǎn)生干涉。

6)葉片曲面的精加工。葉片加工是葉輪加工的重要內(nèi)容。由于葉片的類型為可展直紋曲面，可以采用側(cè)銑法加工，即采用立銑刀的圓柱形側(cè)刃來銑削葉片的側(cè)面，刀軸控制方法選用側(cè)刃跟隨加工(swarf)。側(cè)銑時一次走刀即可將整個葉片加工完畢，加工效率高，加工表面質(zhì)量好。

7)流道曲面的精加工。流道精加工和流道半精加工基本相同，驅(qū)動方式選用“曲面區(qū)域”，選擇葉片間的流道曲面作為驅(qū)動幾何體，將整個葉輪部件選擇為檢查幾何體，采用較小的步距，便于提高加工表面質(zhì)量。

8)過渡圓角的清根加工。該過程主要加工輪轂流道與葉片之間的過渡圓角，選擇圓角曲面作為驅(qū)動面，流道曲面和相鄰葉片曲面作為干涉檢查幾何體，刀軸選用相對驅(qū)動方法(relative to drive)，設(shè)置合理的傾角參數(shù)。

9)葉輪切削過程的仿真。在自動生成葉片加工的各個切削刀路后，再利用UG NX提供的3D或者2D切削過程仿真功能，對刀具去除加工余量的過程進(jìn)行查看和分析。

10)陣列刀位軌跡。為了提高刀路生成的效率，上述是以一組流道和葉片作為操作對象，類似于葉片三維建模中的陣列變換操作，對生成的刀路也進(jìn)行多次陣列變換操作，即可完成整個葉輪的加工刀路。

11)后處理。該過程是通過預(yù)先定制的后處理程序，將上述生成的切削刀路轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)可以接受的數(shù)控(NC)代碼。

12)現(xiàn)場加工。該過程是將上述生成的數(shù)控(NC)代碼，通過數(shù)據(jù)通信或者存儲盤輸入到機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)，通過對刀和調(diào)整等操作對葉輪毛坯進(jìn)行切削，最終形成葉輪實(shí)物。

按照上述操作流程的要求，在教學(xué)過程中有效地將理論性內(nèi)容的介紹、軟件演示和設(shè)備操作結(jié)合起來，著重講解整個葉輪加工流程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識。

3.2 重點(diǎn)和難點(diǎn)知識

1)數(shù)控五軸加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成。由于數(shù)控五軸加工機(jī)床除了三軸加工機(jī)床具有的X/Y/Z三個平移軸之外，又增加了兩個旋轉(zhuǎn)軸(A/B/C中任何兩個的組合)，所以與三軸數(shù)控機(jī)床相比，五軸機(jī)床的刀具或者工件的運(yùn)動形式更為復(fù)雜，很有必要介紹數(shù)控五軸加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)類型及其組成。不同結(jié)構(gòu)的機(jī)床各有特點(diǎn)和適用范圍，并且不同類型的機(jī)床其刀路軌跡的后處理類型也有所區(qū)別。

2)刀位軌跡的后處理。UG NX CAM產(chǎn)生的刀位文件并不能直接控制數(shù)控五軸機(jī)床進(jìn)行加工，根據(jù)教學(xué)設(shè)備的機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)指令格式的要求，將產(chǎn)生的刀位軌跡轉(zhuǎn)換為NC程序。CAM產(chǎn)生刀位文件中的數(shù)據(jù)是相對于編程坐標(biāo)系的刀具刀位點(diǎn)坐標(biāo)和刀具軸的矢量，通過后處理將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)系下的運(yùn)動坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3 教學(xué)效果和思考

葉輪的CAD/CAM一體化教學(xué)具有三維建模和自動編程相結(jié)合、UG NX軟件操作和數(shù)控五軸機(jī)床操作相結(jié)合、實(shí)物加工和切削仿真相結(jié)合的特點(diǎn)，不僅調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和興趣，更體現(xiàn)了整個教學(xué)過程的設(shè)計(jì)和規(guī)劃具有良好的系統(tǒng)性和推廣性，完全滿足了數(shù)控五軸加工技術(shù)的教學(xué)要求。但該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法在試運(yùn)行過程中暴露了如下的問題:

1)由于教學(xué)設(shè)備只有1臺且加工成本非常昂貴，不可能對每位學(xué)生的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行加工和驗(yàn)證。如果葉輪毛坯外徑的尺寸較大(超過Φ200 mm)，從毛坯到成品的加工時間很長，如何有效利用試樣加工的空檔時間，需要進(jìn)行合理調(diào)整。

2)整個教學(xué)對象和操作流程相對固定，而實(shí)踐生產(chǎn)中葉輪的加工可以根據(jù)不同的加工路徑方式和控制策略以及刀具類型，產(chǎn)生更優(yōu)的整體葉輪加工方法和效果。在今后的教學(xué)過程中可以借助UG NX ISV或者Vericut等行業(yè)內(nèi)多軸加工切削過程仿真軟件，構(gòu)建出虛擬的教學(xué)用五軸加工機(jī)床和實(shí)現(xiàn)切削過程的仿真，從而豐富多軸加工技術(shù)實(shí)踐教學(xué)手段。

4 結(jié)束語

將數(shù)控五軸加工技術(shù)納入教學(xué)環(huán)節(jié)是為企業(yè)提供高水平編程工程師的必然途徑，目前與之相應(yīng)的教學(xué)設(shè)備、教學(xué)手段和指導(dǎo)教材都需要進(jìn)行補(bǔ)充、調(diào)整和完善。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試以整體式葉輪作為教學(xué)模型，以UG NX CAD/CAM一體化軟件作為教學(xué)平臺，以五軸聯(lián)動加工中心作為教學(xué)設(shè)備，通過多年的教學(xué)試運(yùn)行，讓學(xué)生能夠掌握數(shù)控五軸編程技術(shù)的流程和思路，這對于提高他們數(shù)控編程技術(shù)的綜合能力起到至關(guān)重要的作用。

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