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(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)和鍛煉學生綜合運用所學專業(yè)理論和技能、獨立工作、動手實踐等能力，也利于培養(yǎng)學生良好的職業(yè)道德、工程素養(yǎng)、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(yè)無縫對接，也是工程訓練應該承擔的角色。當前，機械學科發(fā)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(fā)展，要適應時代的步伐，培養(yǎng)適合企業(yè)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(fā)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(yè)發(fā)展動態(tài)，激發(fā)學生學習興趣和創(chuàng)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(guī)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(tài)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(yōu)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(tài)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(guī)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(guī)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(fā)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(guī)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?。繛槭裁窜囥娂庸け砻嬗不?？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(yè)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(yōu)勢？

上述在實訓過程中不斷提出的問題和解答，不僅激發(fā)了學生主動學習的求知欲，而且培養(yǎng)和鍛煉了學生綜合運用所學專業(yè)理論和技能、獨立工作的能力，有利于開發(fā)學生的創(chuàng)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(yè)發(fā)展動態(tài)。

（2）通過實訓過程中學生的自主學習，自發(fā)提出問題和解答，激發(fā)了學生主動學習的求知欲，培養(yǎng)和鍛煉了學生綜合運用所學專業(yè)理論和技能、獨立工作的能力，有利于開發(fā)學生的創(chuàng)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(yǎng)適合企業(yè)實際需求，也為學生后續(xù)各課程的試驗或者研究生學習打下了一定的實踐基礎。