陳遠(yuǎn)洋，張余益，郭 巍

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

隨著教育教學(xué)改革的逐漸深入，我國高等工科教育的人才培養(yǎng)正由知識(shí)型向能力型轉(zhuǎn)化，高等學(xué)校由主要重視知識(shí)傳授向重視知識(shí)、能力、素質(zhì)和創(chuàng)新思維綜合發(fā)展的方向邁進(jìn)。金工實(shí)習(xí)是工科高等院校對學(xué)生進(jìn)行工程訓(xùn)練的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一，是一門以機(jī)械制造基礎(chǔ)知識(shí)和技能為主的技術(shù)基礎(chǔ)課[1]。

數(shù)控銑床是目前使用較為廣泛的數(shù)控機(jī)床之一，數(shù)控銑床教學(xué)也是學(xué)生金工實(shí)習(xí)中的重要環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床加工工藝和程序編寫一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，用哪種載體引導(dǎo)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)數(shù)控銑床，一直是教學(xué)工作者研究的問題。通過制作指尖陀螺激發(fā)學(xué)生對數(shù)控機(jī)床的興趣，從而理解數(shù)控機(jī)床的加工工藝與自動(dòng)編程方法。最后通過裝配讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到工藝與加工參數(shù)對于零件精度的重要性。

1 數(shù)控銑削編程基本知識(shí)

1.1 機(jī)床坐標(biāo)系

機(jī)床坐標(biāo)系是以機(jī)床參考點(diǎn)（由機(jī)床廠家設(shè)定的固定點(diǎn)）作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系，機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值是數(shù)控系統(tǒng)判斷刀具位置的依據(jù)。

1.2 工件坐標(biāo)系

工件坐標(biāo)系是編程時(shí)采用的坐標(biāo)系，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)（簡稱工件原點(diǎn)）的位置是由編程人員設(shè)定的，程序中出現(xiàn)的坐標(biāo)值是指刀具的刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1 所示。在機(jī)床上測量機(jī)床原點(diǎn)與工件原點(diǎn)之間的偏移距離，并設(shè)置程序原點(diǎn)在以刀位點(diǎn)為參照的機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)就是加工之前的對刀。

1.3 加工方法

指尖陀螺制作外形設(shè)計(jì)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(qū)域加工。

輪廓切割的圖形必須是嚴(yán)格的輪廓曲線組，所有曲線滿足封閉、不自交、不重疊3 個(gè)條件。輪廓切割加工參數(shù)半徑補(bǔ)償為刀具相對輪廓曲線的偏移方向，補(bǔ)償方式分為向外偏移、向內(nèi)偏移和關(guān)閉3 種，如圖2 所示。

適合區(qū)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(qū)域加工參數(shù)包括走刀方式及相應(yīng)的走刀參數(shù)。區(qū)域加工的走刀方式有3種，分別為行切走刀、環(huán)切走刀和螺旋走刀。由于本次毛坯為棒料，所以選擇環(huán)切走刀。環(huán)切走刀是沿邊界曲線環(huán)繞走刀。

2 指尖陀螺造型設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)尺寸

結(jié)合指尖陀螺旋轉(zhuǎn)理念與加工時(shí)間，毛坯選擇直徑70 mm的鋁合金棒料，因此學(xué)生設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求

由于學(xué)生初次學(xué)習(xí)銑削加工，本次提供學(xué)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(qiáng)度，減少甚至可以避免出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象。牛鼻刀與平底刀相比在保持刀具強(qiáng)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(tái)階狀，沒有曲面造型，學(xué)生設(shè)計(jì)只需繪制二維圖。根據(jù)刀具大小，設(shè)計(jì)凹槽最小寬度4.5 mm，最小孔直徑5 mm。

2.3 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)尺寸與設(shè)計(jì)要求前提下，陀螺造型自行設(shè)計(jì)）。

3 編寫程序

3.1 建立工件坐標(biāo)系

選中二維繪制界面繪制完成的設(shè)計(jì)圖（確保線條為封閉、不自交、不重疊）。選擇變換中的并入3D 環(huán)境命令將二維圖并入3D 造型界面（只能并入一次，否則會(huì)有重復(fù)線）。

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

3.2 設(shè)置刀具、毛坯

建立完成坐標(biāo)系后進(jìn)行編程。切換至加工界面，首先要設(shè)置加工刀具與系統(tǒng)毛坯。刀具表中設(shè)置1 號(hào)刀為8 mm 平底刀，3號(hào)刀為6 mm 牛鼻刀，5 號(hào)刀為4 mm 牛鼻刀（注意：編程時(shí)刀具輸出編號(hào)要和半徑補(bǔ)償號(hào)、長度補(bǔ)償號(hào)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(diǎn)Z 為-15 mm。

3.3 選擇加工方法、修改參數(shù)

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

在導(dǎo)航工作條刀具平面俯視圖處鼠標(biāo)右鍵選擇路徑向?qū)?，選擇1-2.5 軸加工組下的區(qū)域加工與輪廓切割。區(qū)域加工主要修改參數(shù)為走刀方式、深度范圍、路徑間距、軸向分層、刀具名稱、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、加工圖形；輪廓切割主要修改參數(shù)為半徑補(bǔ)償、深度范圍、軸向分層、刀具名稱、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度。詳細(xì)參數(shù)說明見附件參數(shù)表。

3.4 仿真

在導(dǎo)航工作條刀具平面俯視圖鼠標(biāo)右鍵選擇加工模擬，仿真前需調(diào)整好位置與角度（按下鼠標(biāo)滾輪，拖動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行角度調(diào)整，滾輪前后進(jìn)行縮小放大）。點(diǎn)擊播放按鍵進(jìn)行仿真，檢查路徑是否正確。圖3 為學(xué)生仿真結(jié)果。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)仿真圖

3.5 后置處理

在導(dǎo)航工作條刀具平面俯視圖鼠標(biāo)右鍵選擇輸出路徑，在設(shè)置里修改機(jī)床輸入文件格式為Eng V6.50（JD50）。完成確定，程序路徑轉(zhuǎn)換為G 代碼，機(jī)床執(zhí)行G 代碼進(jìn)行零件加工。

4 課程效果

從毛坯下料到設(shè)計(jì)編程均由學(xué)生獨(dú)立完成，通過創(chuàng)意產(chǎn)品的制作，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終理解數(shù)控加工工藝，并且取得良好的教學(xué)效果，圖4 為指尖陀螺實(shí)物。數(shù)控加工工藝就是根據(jù)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(diǎn)，達(dá)到課程的預(yù)期效果。

圖4 指尖陀螺實(shí)物

5 總結(jié)

以指尖陀螺為載體，讓學(xué)生對銑床有總體認(rèn)識(shí)，深入理解與應(yīng)用數(shù)控銑床，了解數(shù)控銑床加工零件流程。通過編寫程序，理解和掌握自動(dòng)編程方法及其參數(shù)含義?；诹慵煌卣鳎侠磉x擇加工方法與參數(shù)設(shè)置，不僅提高加工質(zhì)量，而且節(jié)省時(shí)間。本次實(shí)習(xí)課程，既是對學(xué)生實(shí)際操作能力的培訓(xùn)，又是對理論知識(shí)的復(fù)習(xí)鞏固和延伸，為后期學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。