多軸加工典型案例的教學(xué)研究與實(shí)踐

張占莉?薛曉峰

摘 要：本文以數(shù)控多軸一體化課程的典型學(xué)習(xí)任務(wù)——半球凸臺元素的精加工為例，對多軸加工典型案例的教學(xué)研究與實(shí)踐進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：數(shù)控編程 多軸加工 實(shí)施方案

本學(xué)習(xí)任務(wù)需要解決的問題是對半球凸臺元素進(jìn)行精加工，使最終產(chǎn)品滿足尺寸精度、表面粗糙度要求。

一、解決方法探索

通過一個主題或項(xiàng)目讓學(xué)生自主思考解決方案，學(xué)生在解決過程中遇到困難后，教師再給予必要的指導(dǎo)。通過完成典型學(xué)習(xí)任務(wù)旨在引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主思考和解決問題。這可以有效提升學(xué)生的積極性，鍛煉與培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。

多軸加工典型案例的教學(xué)是將知識與項(xiàng)目對接，重在培養(yǎng)學(xué)生的工藝能力、解決問題的能力等。所以在教學(xué)過程中充分體現(xiàn)“做中學(xué)、學(xué)中做”，做到學(xué)、做、思相互補(bǔ)充，相互協(xié)調(diào)，鍛煉學(xué)生的綜合能力。

二、方案初定及實(shí)施

在學(xué)生自主思考加工方案的過程中，教師給予學(xué)生“試錯”的機(jī)會。接到半球凸臺任務(wù)，學(xué)生首先會聯(lián)想到已學(xué)知識和技能，即采用宏程序手工編程和三軸聯(lián)動軟件編程。

在實(shí)施過程中學(xué)生逐步意識到，半球體與平面相交，球體母線與平面相交，使用球頭銑刀無法加工此相交區(qū)域，需外加立銑刀清除相交處的殘余，兩種刀具相接處不可避免地會出現(xiàn)接刀痕。球面需要保證表面粗糙度，使用球頭銑刀較難保證很高的表面質(zhì)量，也無法進(jìn)行清根操作。因此判定利用此方法具有一定的局限性。

三、優(yōu)化方案

教師指引學(xué)生開闊思路，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考。設(shè)想只用一把立銑刀可采用五軸側(cè)刃切削的方法，能解決不同刀具產(chǎn)生接刀痕的問題和換刀輔助時間變長的問題。根據(jù)優(yōu)化方案，學(xué)生使用立銑刀，采用五軸側(cè)刃切削策略，以五軸方式使刀具沿曲面UV線做螺旋上升或環(huán)向切削。此加工方法不需要更換刀具，且球面與平面相交處無殘留，解決了“接刀痕”的問題。

學(xué)生通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，刀具初始加工位置角度為90度，在加工過程中刀尖始終與球面相接觸，加工后相鄰行距之間會出現(xiàn)齒狀“臺階”，影響表面質(zhì)量。如果使用很小的行間距，在保證加工質(zhì)量的同時，又會出現(xiàn)加工效率降低的現(xiàn)象。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生采用刀軸側(cè)傾的方式加工。此方法使刀具側(cè)刃與曲面保持線接觸，既提高了工件表面質(zhì)量，又提高了加工效率。此時教師不提示刀軸側(cè)傾需要清根，等待學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題，讓學(xué)生在課堂中不依賴教師。

為便于學(xué)生觀察，教師在指導(dǎo)演示過程采用較大角度，刀具傾斜10度。通過刀軸側(cè)傾的方式進(jìn)行加工可明顯改善工件表面粗糙度，但經(jīng)過軟件模擬和分析發(fā)現(xiàn)半球直徑偏小，學(xué)生經(jīng)過分析得出結(jié)論：刀軸側(cè)傾對工件會產(chǎn)生過切。

四、深化方案

（一）解決過切問題

“如何解決過切問題”是學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)、分析新發(fā)現(xiàn)的問題點(diǎn)。通過發(fā)現(xiàn)問題、思考問題的過程，教師逐步將學(xué)生的思維帶向縱深思考區(qū)。教師提示學(xué)生，如何采用刀具補(bǔ)償值方式去除余量，是否此處同樣可采用改變刀具半徑補(bǔ)償值來補(bǔ)償過切，過切值多大，補(bǔ)償值就加多少。

此時如何計(jì)算過切值就是解決問題的關(guān)鍵。采用特殊點(diǎn)位置計(jì)算過切值，涉及多條輔助線及幾何關(guān)系換算。學(xué)生提出用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算過切值，但此方法計(jì)算量大，容易出錯。如果使用CAD軟件畫出刀具與球面的位置關(guān)系，再用標(biāo)注的方式得出過切值，則簡單直觀，不容易出錯。最終學(xué)生通過CAD軟件畫出刀具和工件的位置關(guān)系圖，并在教師的引導(dǎo)下標(biāo)出過切值。

這個過程能讓學(xué)生自主探索出刀具側(cè)傾的意義和作用，讓學(xué)生體會到探索帶來的喜悅。

CAD軟件畫出的位置關(guān)系圖中的陰影處為過切部分，由此確定相應(yīng)的刀具半徑補(bǔ)償值增加量。此過程在夯實(shí)學(xué)生所學(xué)知識點(diǎn)與技能點(diǎn)基礎(chǔ)的同時，循序漸進(jìn)地引入了新內(nèi)容。

（二）確定最優(yōu)走刀方式

確定刀具和策略后，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生自主思考螺旋和環(huán)形兩種走刀方式的優(yōu)劣，確定最優(yōu)走刀方式，最終完成學(xué)生的橫向思維擴(kuò)展過程。

使用螺旋走刀方式，刀具軌跡是連續(xù)的，不會出現(xiàn)刀具在零件上停頓造成的刀痕，使整體表面質(zhì)量一致，配合高質(zhì)量的CAM軟件和程序相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，可有效滿足表面粗糙度要求。缺點(diǎn)是程序處理時間較長。

使用環(huán)形走刀方式，刀軌在加工曲面部分是連續(xù)的，換向點(diǎn)設(shè)置于零件豁口區(qū)域，換向過程對零件表面沒有影響，運(yùn)行軌跡簡單，為四軸環(huán)切過程，加工較為流暢。此方式程序簡單，處理時間短，但是不適合封閉曲面的加工。

五、方案實(shí)施

綜合考慮裝夾、干涉、過切值等因素，最終確定將刀軸傾斜2度，計(jì)算出最大過切量為0.03mm，刀具半徑補(bǔ)償值+0.03mm（0.03mm在公差范圍內(nèi)，或可忽略過切值）。使用φ12立銑刀，采用“可變輪廓銑”策略，刀軸選用“側(cè)刃驅(qū)動體”，走刀方式為螺旋上升（可嘗試環(huán)切方式，對比刀具軌跡處理時間）。在實(shí)習(xí)車間，將學(xué)生分為ABC三組，采用不同加工方式和同樣的參數(shù)來驗(yàn)證分析結(jié)果。

六、小結(jié)

本學(xué)習(xí)任務(wù)教學(xué)的重點(diǎn)在于讓學(xué)生主動思考。學(xué)生在解決問題的過程中學(xué)習(xí)了新內(nèi)容，提高了分析問題、解決問題的能力。教學(xué)過程中學(xué)生是主角，教師作為觀察者和引導(dǎo)者切勿對學(xué)生提出的解決問題的方法做出評判，當(dāng)學(xué)生思維陷入困境、需要幫助時，教師可做適當(dāng)引導(dǎo)。鼓勵并協(xié)助學(xué)生驗(yàn)證自己的想法是教師在這個過程中的主要任務(wù)。

本學(xué)習(xí)任務(wù)的教學(xué)實(shí)踐過程是“面對問題—分析問題—提出多種解決方法—分析優(yōu)缺點(diǎn)—對比優(yōu)劣—選擇最佳方案”的過程。這個過程適合解決數(shù)控加工中遇到的問題，同樣也適用于其他問題，包括生活中的問題。在教學(xué)的同時授學(xué)生以“漁”，讓學(xué)生能更好地適應(yīng)未來工作需要。

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（作者單位：北京汽車技師學(xué)院）