大學生創新設計與創新制造能力培養

王凌云　黃紅輝　李厚佳　周立波

摘 要：研究現代機械行業中普遍應用的錐齒輪零件數控多軸加工工藝方法，探討在教育教學中如何培養大學生的創新設計和創新制造能力，闡述了大學生創新能力訓練在課程教學改革中的具體措施。實踐證明，新技術、新工藝方法在智能制造中的創新運用是培養學生綜合職業能力和創新能力的關鍵。

關鍵詞：創新設計 創新制造 能力培養

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（c）-0198-03

如何培養大學生創新設計能力和創新制造能力已成為數控技術專業教學改革的重點，不斷提高和培養學生的創新能力是符合提高我國智能制造技術水平的要求。不斷優化教學方法， 將基于傳授的灌輸式教學法轉化為基于學習的創造性教學，這不僅改進了教學方法， 而且改善了學生的學習方法，實踐證明：學生的創新能力和學習能力大大提高， 學生逐漸養成主動學習、積極探索的好習慣，觀察問題和解決工程實際問題的能力不斷提高。

錐齒輪傳動是機械行業中廣泛應用的傳動方式，它可以完成齒輪傳動的換向等，廣泛應用與汽車減速箱等各個行業中，雖然目前齒輪加工普遍采用滾齒等加工方式，但是在某些特定的的條件下，比如單個齒輪，或者特殊形狀的齒輪等，采用滾齒的方式無疑會增加成本，而此時，五軸加工就能為之帶來可觀效益，根據零件的特征和毛坯形狀，分析鋁合金銑削加工性能，設計了錐齒輪的加工工藝，設計了錐齒輪加工所用夾具的定位與夾緊方案并對夾具組件進行了設計和加工，用UG軟件平臺規劃了錐齒輪數控多軸加工策略，同時合理控制進退刀路線，生成了錐齒輪銑削加工的無干涉刀具軌跡，選用合理的切削參數，通過POSTBUILDER做后置處理，并將生成的數控加工程序在Vericut中進行仿真加工以驗證后置處理程序的正確性，最后選用 VMC-0656e 五周數控加工中心機床進行零件加工，驗證了錐齒輪加工工藝方案的可行性及加工程序的正確性。

探索了如何培養大學生創新設計能力和創新制造能力的方法，并通過數字化五軸機床智能制造的工程實踐培養學生的創新能力。

1 零件的創新制造工藝

1.1 零件的技術要求分析

作為動力機械的關鍵部件，齒輪廣泛應用于汽車等領域，其生產技術一直是制造業中的一個重要課題。齒輪的加工難點主要表現在：（1）齒輪的形狀復雜，樣式種類繁多。（2）齒底的空間較小，而且在徑向上設有半徑的減小通道越來越窄，因此加工齒輪時除了刀具與被加工齒廓之間發生干涉外，刀具也極容易發生斷裂。（3）刀位規劃時的約束條件多，自動生成無干涉刀位軌跡較困難。大多數生產齒輪的廠家多采用成型刀具進行銑削加工，本項目選用UG NX8.0軟件對錐齒輪做加工仿真研究，使用用NX8.0的多軸加工模塊，采用市場上普遍使用的銑刀對不同的加工表面采用不同的加工策略，產生加工刀路軌跡，再利用相關仿真軟件對后置處理的程序進行仿真驗證加工，然后將經過驗證的程序導入機床進行零件加工，最終完成錐齒輪的多軸加工。

如圖1所示，該零件的中心孔有尺寸精度要求，其精度為，同時還有垂直度要求，表面粗糙度為Ra0.8。零件尺寸標注完整，輪廓描述清楚。零件材料為鋁合金。

1.2 工藝路線的設計

齒輪的加工可取下述工藝路線進行：待加工零件→外輪廓→端面及中心孔的車削加工→銑工藝定位孔→齒輪粗加工→齒廓及齒面的半精加工→齒廓面精加工→齒面精加工→清根加工→檢驗→上油入庫。

2 數控加工工序設計

零件工序安排在數控車床、數控銑床、五軸加工中心上進行生產加工。在數控車床上完成中心孔及齒輪輪廓面的粗、精加工；在數控銑床上完成工藝定位孔的加工；在五軸加工中心上進行齒輪齒底面和齒廓面的粗、半精、精加工，最后進行清根處理。

2.1 機床選擇

采用工序集中的加工原則，粗、精銑齒廓的齒根面和齒廓曲面選用VMC0656e五軸數控加工中心。VMC-0656e五軸聯動加工中心為雙回轉工作臺結構，它帶有一個繞Z軸旋轉的C軸和繞X軸擺動的A軸。其配置了8000r/min主軸，飛陽C0數控系統。X軸行程：-400～400mm，Y軸行程：-320～330mm，Z軸行程：105～605mm，A軸擺動角度：-105°～120°。

2.2 刀具選擇

只要保證零件不過切，無論是曲面粗加工還是精加工，都應優先選擇立銑刀。刀具的耐用度和精度與刀具的價格關系較大，通常選擇好的加工刀具雖然增加了刀具成本，但由此帶來的加工質量和加工效率的提高，可使整個加工成本大大地降低。因此在做VMC-0656e五軸加工中心的加工工序中，選用Φ6立銑刀對錐齒輪進行粗加工，選用Φ3mm帶3度錐度的銑刀對齒輪進行半精加工和精加工，刀具型號均為GB/T 1127-1997。

3 夾具設計

夾具裝配圖如圖2所示，零件以底面和中心孔作為定位基準，零件在軸套4和芯軸8上定位，擰動螺母6至夾緊工件，用過渡盤1，通過T型塊和螺栓等連接夾具在機床導軌上，同時芯軸8定位整套夾具在機床導軌的中心位置。為了保證工件的六自由度被完全限制，本夾具還利用菱形銷10限制工件Z軸的旋轉，同時通過鍵2保證機床與夾具體的可靠連接，通過快換墊圈7保證工件加工的加緊力同時保證加工完成后工件換取的簡單快速性。

4 零件加工仿真

采用UG NX軟件對錐齒輪進行刀具軌跡規劃，合理選擇加工刀具和機床，并針對齒輪的齒底面和齒廓面進退刀進行了控制，根據齒輪零件的結構特征和技術要求，區域之間快速移動時以球的方式控制刀軸運動，使刀軌更清晰流暢，不僅提高加工效率，而且大大增加了制造過程中的安全性能。對后置處理生成的數控加工程序在Vericut軟件中進行仿真加工驗證，確保生成的錐齒輪零件數控加工程序的正確性。使用VMC-0656e五軸聯動數控加工中心加工齒輪零件，加工過程平穩，經過檢測：加工表面光潔度高，加工形狀尺寸精度和位置尺寸精度達到設計圖紙的要求。

仿真結束后，在零件視圖中可以得到較為精細的模型顯示，檢查是否有過切和欠切，結果如圖3所示。確認程序沒有問題之后，可以到機床上進行首件試切。

5 零件的加工

最后通過VMC-0656e五軸聯動加工中心實現齒輪零件的加工，加工過程平穩，加工表面光潔度高，加工尺寸精度達到了預期的目標。通過類似的曲面零件數控多軸加工的創新制造能力的訓練，學生創新能力得到較大的提高 （見圖4）。

6 結語

在數控多軸加工職業技術能力方面的學生創新運用新技術、新工藝及新方法，掌握數控多軸加工工藝與多軸加工策略的綜合運用，特別是數字化創新設計與智能制造能力等綜合職業素養得到較好地提升。

參考文獻

[1] 王凌云，黃紅輝.產業轉型下的數控技術專業改革[J].新課程研究，2013（8）：35-37.

[2] 高平，王科社.五軸數控加工技術的現狀[A].中國環境科學學會2006年學術年會優秀論文集（下卷）[C].2006.

[3] 宋放之.數控機床多軸加工技術實用教程[M].北京：清華大學出版社，2010.