王朝琴， 王小榮

(1. 蘭州交通大學 鐵道技術(shù)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(yè)是國民經(jīng)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(yè)，中華民族的崛起就失去了基礎(chǔ)。在我國制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，國務(wù)院于2015年5月發(fā)布了的“中國制造2025”[1]，這個被稱為中國版“工業(yè)4.0”的國家規(guī)劃為我國制造業(yè)制定出3個10年的“三步走”戰(zhàn)略。“中國制造2025”的成功實施，必將使我國制造業(yè)實現(xiàn)從低端向高端的轉(zhuǎn)變，并進一步占領(lǐng)全球制造業(yè)制高點。作為21世紀制造業(yè)競爭的核心技術(shù)，“中國制造2025”也為我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床的發(fā)展指明了道路。

數(shù)控技術(shù)已經(jīng)作為制造業(yè)的利器，在各個行業(yè)產(chǎn)生了深入而持久的影響力，扮演著升級制造業(yè)利器的關(guān)鍵角色。因此，數(shù)控機床也被“中國制造2025”列為國家大力推動重點領(lǐng)域的第2位，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床在我國制造業(yè)中的重要性可見一斑。21世紀制造業(yè)的競爭實質(zhì)上是數(shù)控技術(shù)的競爭，而數(shù)控技術(shù)的競爭實質(zhì)上是人才的競爭，建設(shè)一批高素質(zhì)的數(shù)控人才隊伍，對發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床、提高我國制造業(yè)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(yǎng)各教學環(huán)節(jié)中，本科畢業(yè)設(shè)計是高校實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標最具綜合性的實踐教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)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(chuàng)新意識的重要途徑[2-5]，是學生系統(tǒng)學習專業(yè)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(zhì)量的反映。作為一門實踐性非常強的課程[8]，數(shù)控技術(shù)在機械類課程中歷來是最受學生歡迎的課程，然而現(xiàn)有的以三軸數(shù)控銑床為平臺的本科數(shù)控教育相當普及，不能滿足工業(yè)界對多軸數(shù)控加工人才的急迫需求，開展五軸數(shù)控銑削教學成為數(shù)控教育當務(wù)之急。

1 五軸數(shù)控銑削本科畢業(yè)設(shè)計體系

圍繞五軸數(shù)控銑削，可以設(shè)置基于UG、ProE、 CATIA和PowerMill等軟件系統(tǒng)的多軸銑削畢業(yè)設(shè)計題目，研究內(nèi)容要具有綜合性，能有效綜合訓練CAD、CAM、數(shù)控編程、數(shù)控加工工藝、機械制造工程、機械設(shè)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(yè)應(yīng)用背景，而且是具有復(fù)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(yè)設(shè)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(yè)設(shè)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(shè)計理論和曲面設(shè)計理論，結(jié)合五軸數(shù)控銑床、切削原理和選定品牌數(shù)控系統(tǒng)，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(shù)控機床結(jié)構(gòu)、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(nèi)容。

圖1 五軸數(shù)控銑削類畢業(yè)設(shè)計實例

2 五軸數(shù)控銑削本科畢業(yè)設(shè)計實施

由于本科畢業(yè)設(shè)計只有60～70 d時間，合理安排各階段的任務(wù)是保證高質(zhì)量完成畢業(yè)設(shè)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(yè)設(shè)計各階段安排。

圖2 畢業(yè)設(shè)計各階段任務(wù)

五軸數(shù)控銑削類畢業(yè)設(shè)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(chǔ)，第二階段10 d學習數(shù)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(shù)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(jié)果得以體現(xiàn)。

3 五軸數(shù)控銑削本科畢業(yè)設(shè)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(guān)工作。

3.1 葉輪葉片CAD建模

圖3為學生葉輪葉片建模結(jié)果。葉輪葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是針對葉片結(jié)構(gòu)特征庫為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)快速設(shè)計，它涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有特征分析、特征建模和特征參數(shù)化等。建模的難點在于前緣和后緣的扭曲程度的設(shè)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(fā)動機的工作效率。從幾何上表示，葉形參數(shù)優(yōu)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(chuàng)建刀具

根據(jù)工藝要求，創(chuàng)建不同規(guī)格銑刀。

3.5 安裝部件到機床

(1) 從庫中調(diào)取機床。

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

(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(jié)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(jié)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(nèi)，后處理生成西門子840D控制對應(yīng)CNC程序。

3.8 Vericut仿真驗證

在Vericut環(huán)境下，仿真前先做如下設(shè)置:

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

(2) 添加毛坯與夾具體:φ100 mm×100 mm圓柱體毛坯；

(3) 設(shè)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(shè)置后，將3.7中生成的程序?qū)隫ericut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(huán)境下的仿真情況。

圖7 葉輪葉片五軸數(shù)控銑削VERICUT仿真加工情況

4 結(jié)語

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

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

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