車銑加工在工程訓(xùn)練教學(xué)中的應(yīng)用

孫 濤，秦錄芳，傅玉燦

（1.徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221018；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

工程訓(xùn)練作為高校重要的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)理論和技能、獨(dú)立工作、動(dòng)手實(shí)踐等能力，也利于培養(yǎng)學(xué)生良好的職業(yè)道德、工程素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神等［1］。此外，使學(xué)生掌握和應(yīng)用高新技術(shù)能力、實(shí)現(xiàn)與企業(yè)無縫對(duì)接，也是工程訓(xùn)練應(yīng)該承擔(dān)的角色。當(dāng)前，機(jī)械學(xué)科發(fā)展日新月異，新的加工設(shè)備、加工技術(shù)和加工工藝不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，要適應(yīng)時(shí)代的步伐，培養(yǎng)適合企業(yè)需求的人才，除了了解傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備、技術(shù)和工藝方法，更需要了解和學(xué)習(xí)機(jī)械加工技術(shù)的現(xiàn)況和發(fā)展方向［2］。

車銑加工作為一種充分適應(yīng)數(shù)控加工條件的高效精密加工技術(shù)，是利用工件和銑刀旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削加工。相對(duì)于傳統(tǒng)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(diǎn)［3］。作為一種有別于傳統(tǒng)車削和銑削的高效精密加工技術(shù)的典型代表，在工程訓(xùn)練中開設(shè)此課程，通過對(duì)車銑加工和傳統(tǒng)車削加工的對(duì)比和分析，有助于加深學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)加工方式的理解，同時(shí)也有助于學(xué)生了解相關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)及行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神，提高其實(shí)踐動(dòng)手能力。

本文結(jié)合車銑加工實(shí)訓(xùn)課程的開設(shè)，規(guī)劃車銑加工課程的實(shí)訓(xùn)過程，探討所設(shè)課程對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果的影響。

1 車銑加工技術(shù)

車銑加工技術(shù)是利用工件的旋轉(zhuǎn)、銑刀的旋轉(zhuǎn)和銑刀沿工件的軸向移動(dòng)3 個(gè)運(yùn)動(dòng)合成實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類零件切削加工的。按銑刀與工件的相對(duì)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(zhuǎn)軸線與工件的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直，是加工大型回轉(zhuǎn)體和細(xì)長(zhǎng)軸類零件的一種高效方法，由于其不受工件直徑、長(zhǎng)度的限制，所以應(yīng)用最為廣泛［4-5］。

圖1 車銑加工的主要運(yùn)動(dòng)形式

由于銑刀旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的狀態(tài)下也可以通過銑刀的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高速加工。相對(duì)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(diǎn)，因此已廣泛應(yīng)用于細(xì)長(zhǎng)軸、大型回轉(zhuǎn)類零件、曲軸、葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yīng)用［3］。

圖2 車銑加工的應(yīng)用

2 車銑加工技術(shù)在工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 實(shí)訓(xùn)設(shè)備、刀具及材料

教學(xué)內(nèi)容涉及車削和車銑加工，車削加工實(shí)訓(xùn)在數(shù)控車床或普通車床上完成，車銑加工實(shí)訓(xùn)在MAZAK INTEGREX200-IVST車銑復(fù)合加工中心上完成（見圖3）。

圖3 MAZAK INTEGREX200-IVST車銑復(fù)合加工中心

教學(xué)內(nèi)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(hào)為CoroMill 390 立銑刀桿；裝夾刀片材料為TiAlN涂層硬質(zhì)合金，刀片ISO 型號(hào)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(zhǔn)β 鍛造＋雙重退火的熱處理工藝，鍛件組織為網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)。加工材料的金相組織見圖5，其化學(xué)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(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）

表2 TC21 鈦合金的主要物理和力學(xué)性能

測(cè)量?jī)x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(tǒng)；顯微硬度：HXS-1 000 A數(shù)顯顯微硬度計(jì)。

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(shí)間受限，所以本課程只對(duì)學(xué)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(guān)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(zhuǎn)速，nt為刀具轉(zhuǎn)速，ap為切削深度，e為偏心距。其對(duì)應(yīng)的銑刀最大軸向進(jìn)給量famax分別如下式所示：

通過以上偏心量e與最大軸向進(jìn)給量famax關(guān)系的分析可知，在其他條件相同的情況下，當(dāng)偏心＝rt－lt時(shí)，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(jìn)行工件精加工時(shí)，須遵守以上偏心量e 與最大軸向進(jìn)給量famax的關(guān)系規(guī)則，否則會(huì)出現(xiàn)類似于螺紋加工的情況，從而無法保證合格的加工表面質(zhì)量。

TC21 車削在濕切條件下加工，加工參數(shù)事先由指導(dǎo)教師根據(jù)單因素試驗(yàn)法得到合理加工參數(shù)，如表3所示。實(shí)際加工時(shí)，精加工余量一般不超過0.5 mm，結(jié)合上述公式制定正交車銑加工的加工參數(shù)如表4所示。

圖6 偏心量與最大進(jìn)給量的關(guān)系示意圖（正交車銑）

表3 車削加工參數(shù)

表4 正交車銑加工參數(shù)

2.3 實(shí)訓(xùn)步驟

在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中，每臺(tái)車床和車銑復(fù)合加工中心各配備1 名教師。已參加過車床操作的學(xué)生3 或4人1 組，依次在車床和車銑復(fù)合加工中心上分別進(jìn)行車削和車銑加工操作。具體實(shí)訓(xùn)過程如下：①由指導(dǎo)教師對(duì)車銑加工原理和工藝過程進(jìn)行講解，重點(diǎn)介紹車銑加工切削參數(shù)的選擇原則（以正交車銑加工為例）；②指導(dǎo)教師對(duì)車銑復(fù)合加工中心操作過程和編程事項(xiàng)進(jìn)行講解和演示；③學(xué)生分別對(duì)TC21 進(jìn)行車削和車銑加工操作，相應(yīng)的切削參數(shù)由指導(dǎo)教師給定；④加工后的樣件分別進(jìn)行以下內(nèi)容的測(cè)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(cè)量?jī)x器的操作過程和規(guī)范先由指導(dǎo)教師演示。

在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生如有問題可隨時(shí)請(qǐng)教教師，但學(xué)生以主動(dòng)式和探討式學(xué)習(xí)為主，互相討論、分析和學(xué)習(xí)，指導(dǎo)教師主要負(fù)責(zé)安全和突發(fā)事件的處理，不主動(dòng)參與學(xué)生的指導(dǎo)。

2.4 實(shí)訓(xùn)結(jié)果討論和分析

實(shí)訓(xùn)中每個(gè)學(xué)生都要參與TC21 鈦合金的車削和車銑加工，并通過測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)TC21 這種難加工材料在車削和車銑加工中的加工性能進(jìn)行討論和分析。在這一過程，學(xué)生會(huì)主動(dòng)問一些問題，如：車銑加工的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和切削參數(shù)選擇的依據(jù)？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(duì)較小？為什么車銑加工表面硬化小？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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深了其對(duì)工程訓(xùn)練、數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、特種與精密加工技術(shù)等課程理論知識(shí)的理解。同時(shí)，通過傳統(tǒng)加工機(jī)床和先進(jìn)加工機(jī)床的操作對(duì)比，使學(xué)生對(duì)兩類機(jī)床的特點(diǎn)有了進(jìn)一步理解，并且通過對(duì)各種機(jī)床、測(cè)量?jī)x器的操作，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

最后，指導(dǎo)教師會(huì)布置一些思考題和作業(yè)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。如：難加工材料為什么難加工，體現(xiàn)在哪些方面？車銑加工相對(duì)于車削和銑削為什么具有優(yōu)勢(shì)？

上述在實(shí)訓(xùn)過程中不斷提出的問題和解答，不僅激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的求知欲，而且培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)理論和技能、獨(dú)立工作的能力，有利于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，效果很好。學(xué)生實(shí)訓(xùn)過程中的部分結(jié)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(jié)語

通過實(shí)施車銑加工課程的實(shí)訓(xùn)改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大增，教學(xué)質(zhì)量的提高主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）通過對(duì)車銑加工和傳統(tǒng)車削加工的對(duì)比和分析，有助于加深學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)加工方式的理解，也有助于學(xué)生了解相關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)及行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)。

（2）通過實(shí)訓(xùn)過程中學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，自發(fā)提出問題和解答，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的求知欲，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)理論和技能、獨(dú)立工作的能力，有利于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

（3）通過對(duì)先進(jìn)設(shè)備和儀器的操作和實(shí)踐，鍛煉了學(xué)生的操作能力，有助于培養(yǎng)適合企業(yè)實(shí)際需求，也為學(xué)生后續(xù)各課程的試驗(yàn)或者研究生學(xué)習(xí)打下了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。