数控加工综合与创新实践项目分析与研究

万金贵，张 飞，李蓓华，高 琪

(上海第二工业大学实验实训中心，上海 201209)

数控加工综合与创新实践项目分析与研究

万金贵，张 飞，李蓓华，高 琪

(上海第二工业大学实验实训中心，上海 201209)

实践教学在以培养高技能应用型人才为目标的高职教育中地位十分重要。近年来，对工程训练实践教学改革进行了探索研究，并获得了一定成效。其中的数控加工综合与创新实践项目在培养学生综合实践和创新能力方面作用突出，是正在研究完善的项目。对此项目的意义和实施情况进行了分析，并以实例进行阐述。该实例是学生自主设计的一个创意作品——“世博徽玺”，并运用数控加工技术加工出来。详细介绍了零件的设计与加工方法，研究了其加工工艺和技术难点。通过该零件的设计与加工，学生主要运用了机械专业相关学科知识和跨学科的艺术美学知识，运用了三维设计建模、数控工艺与编程、数控加工技术等，很好地培养了学生的创新与综合实践能力，可为数控加工实践教学提供案例经验与借鉴。

实践教学；综合与创新实践；世博徽玺；数控加工

0 引言

高职教育以培养适应生产第一线的高技能应用型人才为根本任务。这一人才培养目标决定了实践性教学环节的重要作用。作为高校工科专业实践教学环节主体的工程训练实践类课程，在培养学生的工程实践能力方面起着主要的、其他课程所不能替代的作用。我们在多年的工程训练实践教学中，对于培养学生的实践技能与创新能力方面，经过不断地探索之后逐步形成了一套行之有效的做法[1]，其中的数控加工综合与创新实践项目在培养学生综合实践和创新能力方面作用突出，也是我们研究工作的重点和难点。本文分析了该项目实施的目的和意义，并对一典型实例进行了介绍与研究。

1 数控加工综合与创新实践项目实施的目的和意义

近些年来，随着我国经济的发展，尤其是制造业的迅速发展，社会上对于数控技术人才的需求不仅从数量上大增，而且在人才培养的质量要求上也不断地提高。作为应用型本科院校，我们如果将培养目标仅仅停留在技能和操作型人才的层面上，就会落后于市场需求，因此，我们应该致力于培养复合实用型和创新应用型的数控人才。复合型人才的标准是既懂技术又懂管理、还会经营的专门人才。要求其素质不仅要有坚实的基础理论知识和厚实的专业知识，还必须有丰富的文理交融和人文科学知识。实用性人才的标准是：毕业生到生产岗位后能够很快适应岗位，动手快，思维敏捷，实际操作能力强；还要后劲足，具有开发研究的潜力，并在短时间内为企业创造效益。所谓创新应用型数控人才是以适应用人单位为实际需求，面向基层和生产第一线，强调实践能力和动手能力的培养，既要掌握数控机床的基本操作和维护、加工工艺、CAD/CAM等专业技能，更重要的是要有比较宽广的理论知识或者跨学科的知识视野，有创新精神和综合运用知识的能力及自主研究的能力，比如数控工艺设计、数控系统升级、数控设备的设计制造、数控机床夹具和刀具的设计和制造等。因此，应用型创新人才的培养应突出以“应用”为目标、“创新”为特征，培养学生具有在创新中应用、在应用中创新的能力。

我校的数控实践教学体系、内容和模式围绕着上述培养目标进行了一系列的改革[1]，并取得了一定成效。近几年，我们改变了数控实训的传统方式，致力于“项目化”实训教学的研究，主要有三个层次的项目：（1）基础（单项）技能训练项目；（2）综合技能训练项目；（3）扩展能力训练项目。关于前两种项目，可参看参考文献[1]，本文只针对第三种项目进行展开讨论。扩展能力训练项目是针对高年级学生进行的，学生必须是完成了与数控技术相关的所有理论课程的学习以及基础与综合技能的实习。它是对各学科知识及实践技能的全面综合运用，以此来锻炼和培养学生的综合实践和创新能力。该项目也可称之为数控加工综合与创新实践项目。这些项目既可以是来自于企业的实际项目，或者是教师科研课题中的一部分，也可以是由学生按教师指定要求设计的项目，但都必须有高度的综合性。教学实践表明，学生对于自主设计项目具有浓厚的兴趣。他们自主设计的项目，有的是生产或生活中的物件，如“数控铣床旋转工作台”、“国际象棋”、“创意风车”、“汽车模型”等；有的是有一定主题思想的艺术类作品，如“奥运旋转杯”、“神州七号”等；还有的是妙趣横生的玩具，如“仿生蜗牛”，等等。这些项目从原理或主题构思、造型与结构设计、加工工艺分析、数控编程、数控加工到最后形成技术文件报告，都由学生（独立或2、3人组合）自主完成，并由专业教师负责指导管理。为了更好地激发和鼓励学生发挥最大的能动性，项目在指定时期内完成后会组织集中答辩，评出一、二、三等奖项实行奖励并颁发证书。通过自主设计与制作，极大地激发了学生的创新意识和热情，有效地培养了他们的创造性思维能力。学生们在攻克一个个难关的过程中，不仅全面运用了相关专业知识，还广泛查阅了资料来获得书本上没有的知识，大大锻炼了实践技能，并加强了与人沟通和团结协作的能力以及不怕困难、挑战并战胜困难的创新精神。可以说，实施数控加工综合与创新实践项目是一个非常有效的培养数控创新应用能力的途径。

2 实例分析

下面对一个实例作品——“世博徽玺”的设计及数控加工进行介绍，旨在为数控实践教学及数控加工工艺研究提供案例经验与参考。

该作品不是纯粹意义上的机械产品，而是带有艺术品性质的工件。科学与艺术是相辅相成的，如欧洲文艺复兴时期的巨匠达·芬奇在绘画、数学、建筑学、机械、军事科学、医学等方面都有突出的成就，可谓是科学与艺术相融合的典范。事实上，现代工业产品越来越成为科学、技术、美学的现代艺术结合品。通过对这类艺术作品的设计，形象思维与逻辑思维共同作用，能更好地激发学生的创造力。这种从心理、观赏、审美功能出发，把形式、造型、意境结合起来，进一步把材料、结构、表面装饰的组合形态转变为审美化的金属产品以及时空交换的信息流程，从根本上提高和加强了人才的知识素质培养。

2.1 作品设计

设计是一种造物活动，设计过程的本质在于启发创造性思维、发挥创造力。

2.1.1 设计创意

众所周知，玉玺是中国历代帝王的印章。它不仅具有昂贵的外在价值，更有其非同寻常的内涵——国之重器，可看作是国家的象征物。2010世博会在中国上海成功举办，为纪念此次世博会带给世界的深远影响，特将具有中国古老文化特征的玉玺和现代意义上的世博会徽标融合在一起，设计为一个小作品——“世博徽玺”，并用机械加工方法制成一个金属物件制品，用以向世界表达——“只有民族的才是世界的”这一理念，同时也寄寓将此次成功的世博会“隽刻”在世界历史上。

2.1.2 作品造型与结构设计

作品总体包括印章和底座两部分。如图1左所示，印章基体为具有正方形截面的扁长方体，上部手柄外形设计成流线型的曲面，各棱边均倒圆角。手柄设计既考虑了印章使用时的提拿方便和造型上的美观大方，又要便于加工时的装夹。如图1右所示，印章体底面雕刻成2010世博会徽标图案的反相，所刻为阳印，故四周留一带圆角的边框。如图2所示，底座设计成方形双层塔状，为显稳定，下层边缘比上层略宽。底座上表面有一合适深度的凹腔，以盛印章，并设计为与印章体间隙配合，以方便取拿印章。总体设计效果如图3所示。

图1 印章（左）与章面雕刻内容（右）设计效果Fig. 1 The designed seal (left) and pattern (right)

图2 底座设计效果Fig. 2 The designed bottom case

图3 “世博徽玺”总体设计效果Fig. 3 The overall design result of the World Expo emblem seal

该作品的造型设计遵循了一些公认的美学原则。印章体和底座均采用方形，符合中国传统文化习惯，凸显庄重和稳定。底座设计成上小下大的两层，中部凹进，使其稳重而不显笨重。底座四边都使用了凹圆弧面，避免了全部直线条形成的呆板。同样，印章体虽然是以直线条为主的方形，但四周都用圆弧过渡，手柄的设计是简化的“如意”形状。简化既是为了适应数控加工，又因为其不是纯艺术品，所以形式简洁流畅，服从工艺与功能的需要。两部件的各部分尺寸比例都经过计算，符合最佳比例原则。这些设计基本符合了美学中的比例与尺度、均衡与稳定、变化与统一等原则。

中国传统美学强调整体意识，具体表现就是以“和”为美。所谓“和”就是将天、地、人、艺术看作一个生机勃勃的有机整体，要讲究“万物的和谐”。艺术的使命就是反应、展现、参悟这一事物的整体性。印章体在上，其棱角和手柄都采用外凸圆弧，具有隆起、腾达之势，富有张力感，呈积极姿态，为“阳”；底座在下，其内凹弧面呈现被动、接受的姿态，有降落、隐蔽、内敛之势，为“阴”。上下呼应，合在一起浑然一体，呈现和谐之美。该设计结果给人的总体印象是：简练、自然、和谐。

2.2 零件的制作加工

考虑到现有材料和机床的可用性，本作品采用铝合金方形坯料，在3轴数控立式铣床上完成加工制作。总体制作过程如下。

2.2.1 模型建立

利用三维造型功能强大的UG软件，在其建模模块中完成作品的三维造型设计，如前述图1 ～ 图3。在UG中进行参数化建模，使得修改作品的外形与尺寸非常方便[2]。

2.2.2 工艺分析与加工方案制定

经讨论分析，确定加工路线和方案如下。

印章体可使用方形毛坯，平口钳夹持，在数控铣床上装夹两次完成加工。首先，使用垫块，用平口钳夹持方料下部约6 mm高，将印章上部曲柄、平面和章体侧面（除夹持部分外）铣削加工完成；再掉头装夹，用平口钳夹住上部曲柄的两侧面（垫上铜皮以保护已加工表面），并用两等高垫块使章体部分凸出钳口平面并承受向下的切削力。将印章体高度方向多余部分铣去，并得到精细平整的表面，以刻图案。

印章图案采用浮雕雕刻，四周铣削余量较大。为使图案具有较强的立体感，采用平底铣刀加工，且深度不能太浅。图案线条空间限制了刀具的大小，综合考虑走刀空间与刀具强度的需要，先使用直径Φ1的平底铣刀加工到1 mm深，使图案大体呈现，然后针对未加工到的图案局部空隙和文字部分，采用末端直径为Φ0.2的30º锥度雕刻刀刻至0.3 mm深。

底座包括上下两部分，无法在一次装夹中加工完成。若采用分体加工则增加了装配工作量，也使得结构不紧凑，故采用一体加工完成。先将加工好的底座毛坯水平夹持在平口钳上，加工底座上部内腔与外形；再分四次竖直装夹在平口钳上，分别加工四个侧面，其中后两个侧面的加工对装夹技术要求较高。

2.2.3 刀具选择与切削用量确定

数控加工中，铣削平面零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀。该刀具有关参数的经验数据如下：一是铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD为(0.8 ～ 0.9)Rmin。二是零件的加工高度H小于(1/4 ～ 1/6)RD，以保证刀具有足够的刚度。对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。该加工需选用平底刀、球头刀和雕刻刀。

切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度。确定合理的切削用量的目的是要生成具有最大材料切除率的数控程序，同时保持稳定的切削状态与要求的加工精度。一般确定切削用量要根据数控机床说明书的规定和要求，以及刀具的耐用度去选择和计算，也可以查阅相关手册并结合实际经验，采用类比法确定。具体为（1）主轴转速n，根据允许的切削速度v和刀具直径D选择n为1 000v/(πD)，其中，切削速度v受刀具耐用度的限制；（2）背吃刀量，即切削深度，主要受机床、工件和刀具的刚度限制，在工艺刚度允许的情况下，尽可能加大切削深度，以减少走刀次数，提高加工效率；（3）进给速度，是切削用量的主要参数，要根据工件加工精度、表面粗糙度要求、加工刀具及工件材料选取。

粗加工时，应根据刀具的切削性能和机床性能进行选择，尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具寿命。因此，选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量；其次，根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给速度；最后，根据刀具寿命要求，确定合适的切削速度。精加工时，应根据零件的加工精度和表面质量选择背吃刀量；其次，根据已加工表面的粗糙度要求，选取合适的进给速度；最后在保证刀具寿命的前提下，尽可能选取较高的切削速度。

该零件的数控加工工艺规划如表1。

表1 “世博徽玺”零件数控加工工艺表Tab. 1 the CNC machining process planning of the World Expo emblem seal

表1中的刀具材料均为高速钢，其中主轴转速和进给速度在实际加工中还可根据加工情况作适当调整。

2.2.4 数控编程

本作品在数控加工中采用了自动编程与手工编程相结合的办法，对于加工余量多、层次多以及表面造型为曲面的部位，采用自动编程，针对形状单一的型腔和型面加工则采用手工编程[3]。

如印章手柄的加工，可利用UG的CAM功能，于加工模块中创建刀具，建立加工坐标系、毛坯几何体和工件几何体，分别选择合适的加工方法并设置合适的加工参数来生成加工刀轨[4]，如图4所示。印章底座下部的精加工刀轨及加工效果如图5。

图4 印章手柄的粗加工刀轨与模拟加工效果Fig. 4 The roughing tool paths and simulation result of the seal shank

图5 底座下部的精加工刀轨与模拟加工效果Fig. 5 The finishing tool paths and simulation result of the bottom base

在UG中，刀轨生成后可进行动态可视化仿真，以检查刀轨的正确性，从而修改调整各参数，进行刀轨的编辑与重新生成。然后利用UG的后处理功能对刀轨进行后置处理，生成所用机床可执行的数控加工程序，从而实现数控自动编程。

2.2.5 仿真加工

为保证加工程序的正确性，避免实际加工失误，将所有加工程序都导入“宇龙数控仿真系统”进行仿真加工验证。

2.2.6 机床加工零件加工在3轴立式数控铣床上完成。（1）毛坯加工

取两块铝合金坯料，分别加工成110 mm×110 mm×28 mm的长方体和80 mm×80 mm×48.2 mm的长方体，前者用于加工成徽玺底座，后者用于加工印章体。加工时须保证长方体各面相互之间的垂直度、平行度，同时要保证一定的尺寸精度和各面的表面精度。

（2）零件加工

按照表1的工艺安排，分别将已准备好的各数控加工程序通过RS232数据线传输到数控铣床进行加工，包括印章体加工、印章雕刻、底座上部和底座下部加工。

最后精加工完成的零件具有较高的精度和表面质量，照片如图6。

2.3 技术难点及解决方法

本作品属原创设计，没有类似的实物或者模型可以参考。设计时应力求达到好的外观和协调的尺寸比例，因此需要使用UG软件的参数化建模技术进行反复修改设计。

零件的加工部位很多，总的工序也多，且各工序之间有关联，因此工序的安排很重要，需经过仔细分析确定。应尽量使工序集中以减少装夹次数，还要确保前面的加工不影响后续加工的装夹[5]。

加工中需进行多次装夹，装夹时必须保证定位精度。实际操作时每次装夹都用相应工具进行校准。

印章图案为浮雕雕刻。为达到好的效果，采用平底刀铣削，但部分区域狭小无法进刀，因此采用锥度雕刻刀补加工，虽然无法达到先前平底刀加工的深度，但最终加工出的图案较清晰，达到了预计的效果，见图6。由于刀小，强度差，加工中极容易发生断刀，因此主轴转速和进给速度要调整到合适，并保证及时充分地供给冷却液。

底座下部的加工是分别按四个侧面进行凹槽铣削的。这四个凹槽最终要连成一圈，因此对于毛坯加工时各面的平行度和垂直度要求较高。另一方面，在零件数控加工时对刀的精度要求也很高。后加工的两个侧面在装夹时容易出现偏斜，装夹难度大，使用尺寸精确的垫块加上合适的夹紧方法解决了这一问题。

图6 加工完成的作品总体外观与印刻效果Fig. 6 The photos of the finished parts

3 结束语

“世博徽玺”的设计与制作包含了创新立意、艺术造型设计、三维CAD建模技术、数控自动和手工编程技术、数控加工方法及工艺的研究等，综合性强。通过这样一个完整的创新设计与数控制造过程实践，学生综合运用了相关学科的知识，包括美学类的跨学科知识、自主探索数控加工工艺及编程技术，尤其是自动编程软件UG的CAD/CAM技术，不仅锻炼了数控加工实操技能，而且很好地培养了创新与综合实践能力。本文的介绍对高职院校相关工程实践教学有着重要的参考借鉴意义。

[1] 高琪, 刘中原, 万金贵. 在工程训练中创新实践教育的探讨[J]. 实验室研究与探索, 2010(10): 143-145, 165.

[2] 王卫兵. UGNX5中文版产品设计案例导航视频教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.

[3] 蔚京生, 唐平. 数控机床的编程技巧[J]. 机床与液压, 2005(12): 199-200, 192.

[4] 张云杰. UG数控加工实例教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[5] 常利民. 数控加工工艺分析与研究[J]. 机械与电子, 2010(11): 93, 129.

Analysis of Comprehensive and Innovative Practice of Numerical Control Machining

WAN Jin-gui, ZHANG Fei, LI Bei-hua, GAO Qi
( Practical Center, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

Practice teaching plays a very important role in cultivating highly skilled and applied talents in higher vocational education. In the last few years, the practice teaching reform of the engineering training has been explored and has got some effects. The project of comprehensive and innovative practice of NC machining plays a prominent role in developing students’ comprehensive practice capacity and innovative ability. This project is researched and improved. The significance and implementation of this project are discussed. Then, an example is introduced and analyzed. A creative works, which is called “2010 World Expo Emblem Seal”, is designed and manufactured with CNC machining techniques by students. The design and processing method of the parts is described in detail. And the process and technical difficulty are studied. In this example, the students mainly used the mechanical professional knowledge and cross-disciplined art and aesthetic knowledge. They studied and applied the 3D modeling, CNC machining processes and programming, and machining technologies. This project greatly develops the students’ creativity and comprehensive practical ability. It can provide some valuable experiences and references for NC practice teaching.

practice teaching; comprehensive and innovative practice; World Expo emblem seal; Numerical Control (NC) machining

TH16

A

1001-4543(2012)02-0121-06

2012-02-28;

2012-06-19

万金贵（1972－），女，湖南衡阳人，讲师，硕士，主要研究方向为数控加工技术、机械设计与制造，电子邮箱jgwan@pc.sspu.cn。

上海市教委大学生科技创新项目（No. 2011-XJCX-025）