多轴加工典型案例的教学研究与实践

张占莉?薛晓峰

摘 要：本文以数控多轴一体化课程的典型学习任务——半球凸台元素的精加工为例，对多轴加工典型案例的教学研究与实践进行探索。

关键词：数控编程 多轴加工 实施方案

本学习任务需要解决的问题是对半球凸台元素进行精加工，使最终产品满足尺寸精度、表面粗糙度要求。

一、解决方法探索

通过一个主题或项目让学生自主思考解决方案，学生在解决过程中遇到困难后，教师再给予必要的指导。通过完成典型学习任务旨在引导学生自主学习、自主思考和解决问题。这可以有效提升学生的积极性，锻炼与培养学生的逻辑思维能力。

多轴加工典型案例的教学是将知识与项目对接，重在培养学生的工艺能力、解决问题的能力等。所以在教学过程中充分体现“做中学、学中做”，做到学、做、思相互补充，相互协调，锻炼学生的综合能力。

二、方案初定及实施

在学生自主思考加工方案的过程中，教师给予学生“试错”的机会。接到半球凸台任务，学生首先会联想到已学知识和技能，即采用宏程序手工编程和三轴联动软件编程。

在实施过程中学生逐步意识到，半球体与平面相交，球体母线与平面相交，使用球头铣刀无法加工此相交区域，需外加立铣刀清除相交处的残余，两种刀具相接处不可避免地会出现接刀痕。球面需要保证表面粗糙度，使用球头铣刀较难保证很高的表面质量，也无法进行清根操作。因此判定利用此方法具有一定的局限性。

三、优化方案

教师指引学生开阔思路，并引导学生进行思考。设想只用一把立铣刀可采用五轴侧刃切削的方法，能解决不同刀具产生接刀痕的问题和换刀辅助时间变长的问题。根据优化方案，学生使用立铣刀，采用五轴侧刃切削策略，以五轴方式使刀具沿曲面UV线做螺旋上升或环向切削。此加工方法不需要更换刀具，且球面与平面相交处无残留，解决了“接刀痕”的问题。

学生通过进一步分析发现，刀具初始加工位置角度为90度，在加工过程中刀尖始终与球面相接触，加工后相邻行距之间会出现齿状“台阶”，影响表面质量。如果使用很小的行间距，在保证加工质量的同时，又会出现加工效率降低的现象。教师进一步引导学生采用刀轴侧倾的方式加工。此方法使刀具侧刃与曲面保持线接触，既提高了工件表面质量，又提高了加工效率。此时教师不提示刀轴侧倾需要清根，等待学生自己发现问题，让学生在课堂中不依赖教师。

为便于学生观察，教师在指导演示过程采用较大角度，刀具倾斜10度。通过刀轴侧倾的方式进行加工可明显改善工件表面粗糙度，但经过软件模拟和分析发现半球直径偏小，学生经过分析得出结论：刀轴侧倾对工件会产生过切。

四、深化方案

（一）解决过切问题

“如何解决过切问题”是学生通过实验、分析新发现的问题点。通过发现问题、思考问题的过程，教师逐步将学生的思维带向纵深思考区。教师提示学生，如何采用刀具补偿值方式去除余量，是否此处同样可采用改变刀具半径补偿值来补偿过切，过切值多大，补偿值就加多少。

此时如何计算过切值就是解决问题的关键。采用特殊点位置计算过切值，涉及多条辅助线及几何关系换算。学生提出用三角函数关系计算过切值，但此方法计算量大，容易出错。如果使用CAD软件画出刀具与球面的位置关系，再用标注的方式得出過切值，则简单直观，不容易出错。最终学生通过CAD软件画出刀具和工件的位置关系图，并在教师的引导下标出过切值。

这个过程能让学生自主探索出刀具侧倾的意义和作用，让学生体会到探索带来的喜悦。

CAD软件画出的位置关系图中的阴影处为过切部分，由此确定相应的刀具半径补偿值增加量。此过程在夯实学生所学知识点与技能点基础的同时，循序渐进地引入了新内容。

（二）确定最优走刀方式

确定刀具和策略后，在教师的引导下，学生自主思考螺旋和环形两种走刀方式的优劣，确定最优走刀方式，最终完成学生的横向思维扩展过程。

使用螺旋走刀方式，刀具轨迹是连续的，不会出现刀具在零件上停顿造成的刀痕，使整体表面质量一致，配合高质量的CAM软件和程序相关参数的设置，可有效满足表面粗糙度要求。缺点是程序处理时间较长。

使用环形走刀方式，刀轨在加工曲面部分是连续的，换向点设置于零件豁口区域，换向过程对零件表面没有影响，运行轨迹简单，为四轴环切过程，加工较为流畅。此方式程序简单，处理时间短，但是不适合封闭曲面的加工。

五、方案实施

综合考虑装夹、干涉、过切值等因素，最终确定将刀轴倾斜2度，计算出最大过切量为0.03mm，刀具半径补偿值+0.03mm（0.03mm在公差范围内，或可忽略过切值）。使用φ12立铣刀，采用“可变轮廓铣”策略，刀轴选用“侧刃驱动体”，走刀方式为螺旋上升（可尝试环切方式，对比刀具轨迹处理时间）。在实习车间，将学生分为ABC三组，采用不同加工方式和同样的参数来验证分析结果。

六、小结

本学习任务教学的重点在于让学生主动思考。学生在解决问题的过程中学习了新内容，提高了分析问题、解决问题的能力。教学过程中学生是主角，教师作为观察者和引导者切勿对学生提出的解决问题的方法做出评判，当学生思维陷入困境、需要帮助时，教师可做适当引导。鼓励并协助学生验证自己的想法是教师在这个过程中的主要任务。

本学习任务的教学实践过程是“面对问题—分析问题—提出多种解决方法—分析优缺点—对比优劣—选择最佳方案”的过程。这个过程适合解决数控加工中遇到的问题，同样也适用于其他问题，包括生活中的问题。在教学的同时授学生以“渔”，让学生能更好地适应未来工作需要。

参考文献：

[1]昝华.五轴数控系统加工编程与操作维护[M].北京：机械工业出版，2017.

[2]昝华.SINUMERIK828D铣削操作与编程轻松进阶[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]丁源.UGNX10.0中文版从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2016.

（作者单位：北京汽车技师学院）