数控五轴加工叶轮的实验教学探索

董子源，沈春根，陈 炜，朱和军，陈 俊

(1.江苏大学 a.机械工程学院;b.工业中心，江苏 镇江 212013;2.镇江高等职业技术学校 机电工程系，江苏 镇江 212016)

《数控技术》和《CAD/CAM技术》是本科院校机械设计制造及自动化、模具设计与制造等专业的主干必修课程。根据教学大纲的要求，教学内容以理论知识讲授为主，实验教学和工程实训等教学环节为辅［1－2］。在这两门课程的教学目标中，共同的特点是培养既有坚实理论知识，又有较强解决生产实践问题能力的高级工程技术人员。近年来，众多高校实施“卓越工程师教育培养计划”，对上述两门课程的教学要求又提出了更高的目标:培养出合格的、高水平的卓越工程师，能够快速适应企业的技术工作，满足企业对高级应用型人才“拿来就用”的需求，这也成为摆在教学管理人员和教师们面前的一个紧迫问题［3－4］。

正是由于《数控技术》和《CAD/CAM技术》两门课程教学内容的实践性非常强，就需要不断去探索这两门课程对应的实践教学方法并改革教学模式。为适应企业对高级人才的需求，需要将最新和最前沿的新技术、新方法、新工艺和新软件融入到教学内容中，通过理论、实践一体化现场教学、项目教学法等教学理念和方法，切实增强教学效果和学生的工程实践能力［5］，因此，将五轴加工技术纳入数控技术的实验或者实践教学环节，设计和开发与之相应的、具有典型性和综合性的教学案例［6］，能保证教学内容的时效性，不失为教学改革的一个重要举措。

1 开设实验教学的意义

1.1 数控五轴加工的工程背景

数控加工技术正朝着高速化、高精度化、复合加工和智能化等方向发展，其中数控五轴联动加工(简称:数控五轴加工)相对于传统的三轴加工而言，可以实现刀具轴相对于加工零件的姿态角度随时调整，避免了刀具干涉、欠切和过切现象的发生，从而提高了加工效率和精度，解决了许多复杂零件型面难于加工的问题;常被用于具有复杂曲面零件和大型精密模具的精加工，目前，已广泛应用于航空航天、船舶、大型模具及军工领域，成为关键零件复杂型面精加工的主要解决方法［7］。

1.2 纳入实验教学的现状

经过十多年的发展和积累，国内不少工科本科院校和高职院校为适应高速加工和多轴加工(包括四轴联动加工和五轴联动加工)技术及其应用的科研和教学的需要，增添了多轴加工数控教学设备和相应的教学软件，已逐步把这些高端、昂贵的设备纳入到实验、实训等实践教学环节中，希望培养出高级数控编程技术人才。笔者多方调研得知:该类课程的总体教学效果不令人满意。这固然有数控五轴加工技术自身难度大、教学设备的损耗费用高、教学课时不足等客观原因，但适宜的教材、指导书和课件等教学资源不足，特别是教学案例的缺乏更是难以保证产生良好的教学效果。因此，针对数控五轴加工技术研究和教学的需要，设计和开发典型的、来源于生产实践的工程教学案例，是提升教学效果的必经之路。

2 实验教学的资源和前提知识

2.1 教学模型和教学资源

1)教学模型的选用。整体式叶轮是动力机械产品上的一个关键零件，其加工技术一直是制造业中的一个重要课题，加工质量直接影响产品整体的动力性能和机械效率。叶轮结构种类很多，一般选择整体式结构的叶轮作为教学对象。整体式叶轮主要由轮毂和叶片组成，轮毂和叶片之间都有圆角过渡。其加工难点表现为:(1)整体叶轮形状复杂，其叶片为非可展扭曲直纹面;(2)叶轮相邻叶片的空间较小，并且在径向上随着半径的减少流道越来越窄，造成刀具很容易和加工表面产生干涉。

2)教学软件的选用。目前，国内企业中使用的多轴数控加工编程通用软件有UG NX、MasterCAM、PowerMill等，而UG NX是一个集CAD/CAM/CAE于一体的产品生命周期大型工程软件。由于其强大的数控自动编程功能，使其在国内数控编程软件中占据主导地位，其CAM模块中的多轴加工操作类型——变轴多轴铣削加工(variable axis milling)和变轴顺序铣削加工(sequential milling)提供了灵活的刀路驱动方法和刀轴控制方法，使得多轴编程的操作变得容易和方便。因此，选用UG NX作为教学软件实施叶轮CAD/CAM的整个流程，鼓励学生采用UG NX8.0版本中自带的叶轮智能加工功能［8］。

3)教学设备简介。可以实现五面体加工及五轴联动加工的Mikron UCP 800 Duro加工中心1台，除了3个线性移动进给轴，还带有工作台摆动(A轴)和旋转(C轴)，数控系统为海德汉ITNC 530，主轴最高转速达到20 000 r/m。另外，整体叶轮的叶片壁厚很小，这就需要主轴和刀柄具备高速切削的条件以及采用能实现高速切削的各类刀具，还需要稳固安装叶轮毛坯的工装夹具。

2.2 完成实验的前提知识

要完成叶轮数控五轴编程加工的教学任务，要求学生具备CAD/CAM原理、数控编程加工、数控加工工艺和UG NX CAD/CAM基础知识及其软件操作技能。同时，在前面课程中已经完成了整体式叶轮的三维造型，特别是掌握了多轴加工中的刀轴控制方式和驱动方法及其类型。此外，还需要对五轴数控机床的基本功能和操作有所了解。本实验教学安排在数控铣削编程实验、数控车削编程实验和CAD/CAM一体化综合实验之后实施，效果最为理想。

3 实验教学的总体设计

3.1 叶轮自动编程和现场加工的流程

掌握和理解叶轮自动编程的加工流程、关键操作和主要参数，是达到多轴加工技术教学目标的基本要求。叶轮自动编程的加工流程可以归纳如下:

1)制定合理的加工工艺规程。整体叶轮的主要加工部位为轮毂流道、叶片和两者之间的过渡圆角。在叶片周围有大量的材料需要去除，在安排工艺规程时要遵循基准先行、先粗后精、先主后次的工艺原则，将加工顺序主要划分为整体粗加工、流道曲面和叶片曲面的半精加工和精加工三个阶段。

2)选择合理的刀具类型和切削参数。根据上述工序要求和教学模型的材料，选择立铣刀作为粗加工刀具，选择球头刀作为半精加工和精加工的刀具，制定各自合理的刀具规格和切削参数以及各个工序间的加工余量。

3)叶轮自动编程的通用设置。创建叶轮自动编程的程序名称;创建加工几何(包括确定加工坐标系及其原点)、叶轮部件几何、毛坯几何和安全平面;创建各个刀具及其参数;创建各个工序间的加工余量。

4)整体叶轮的粗加工。该过程的目的是去除大量材料，采用高效率的刀具路径提高粗加工的效率。采用UG NX提供的型腔铣(cavity mill)操作以平面切削层来切削毛坯，刀具再每层沿着几何体的轮廓加工。该方法效率高但加工余量大且不规则，还需要采用可变轴轮廓铣(variable contour)操作进行补充加工，选择轮毂的流道曲面作为零件面(part geometry)和驱动几何面(drive geometry)，叶片的两个侧面作为干涉检测面。

5)流道曲面的半精加工。该过程的加工对象是流道曲面，采用可变轴轮廓铣操作，选择相邻叶片间的流道曲面作为部件几何体，将整个叶轮部件作为检查几何体，驱动方式选择为“曲面区域”，驱动几何体和部件几何体相同。该操作的难点是需要选择合理的刀轴矢量方式，可以预先构建好矢量控制线，选用插补方式(interpolate)并通过在指定的点定义矢量方向，从而控制刀具轴的姿态，避免刀具在叶片之间产生干涉。

6)叶片曲面的精加工。叶片加工是叶轮加工的重要内容。由于叶片的类型为可展直纹曲面，可以采用侧铣法加工，即采用立铣刀的圆柱形侧刃来铣削叶片的侧面，刀轴控制方法选用侧刃跟随加工(swarf)。侧铣时一次走刀即可将整个叶片加工完毕，加工效率高，加工表面质量好。

7)流道曲面的精加工。流道精加工和流道半精加工基本相同，驱动方式选用“曲面区域”，选择叶片间的流道曲面作为驱动几何体，将整个叶轮部件选择为检查几何体，采用较小的步距，便于提高加工表面质量。

8)过渡圆角的清根加工。该过程主要加工轮毂流道与叶片之间的过渡圆角，选择圆角曲面作为驱动面，流道曲面和相邻叶片曲面作为干涉检查几何体，刀轴选用相对驱动方法(relative to drive)，设置合理的倾角参数。

9)叶轮切削过程的仿真。在自动生成叶片加工的各个切削刀路后，再利用UG NX提供的3D或者2D切削过程仿真功能，对刀具去除加工余量的过程进行查看和分析。

10)阵列刀位轨迹。为了提高刀路生成的效率，上述是以一组流道和叶片作为操作对象，类似于叶片三维建模中的阵列变换操作，对生成的刀路也进行多次阵列变换操作，即可完成整个叶轮的加工刀路。

11)后处理。该过程是通过预先定制的后处理程序，将上述生成的切削刀路转换为数控机床操作系统可以接受的数控(NC)代码。

12)现场加工。该过程是将上述生成的数控(NC)代码，通过数据通信或者存储盘输入到机床的数控系统内，通过对刀和调整等操作对叶轮毛坯进行切削，最终形成叶轮实物。

按照上述操作流程的要求，在教学过程中有效地将理论性内容的介绍、软件演示和设备操作结合起来，着重讲解整个叶轮加工流程中的重点和难点知识。

3.2 重点和难点知识

1)数控五轴加工机床的结构组成。由于数控五轴加工机床除了三轴加工机床具有的X/Y/Z三个平移轴之外，又增加了两个旋转轴(A/B/C中任何两个的组合)，所以与三轴数控机床相比，五轴机床的刀具或者工件的运动形式更为复杂，很有必要介绍数控五轴加工机床的结构类型及其组成。不同结构的机床各有特点和适用范围，并且不同类型的机床其刀路轨迹的后处理类型也有所区别。

2)刀位轨迹的后处理。UG NX CAM产生的刀位文件并不能直接控制数控五轴机床进行加工，根据教学设备的机床运动结构和数控系统指令格式的要求，将产生的刀位轨迹转换为NC程序。CAM产生刀位文件中的数据是相对于编程坐标系的刀具刀位点坐标和刀具轴的矢量，通过后处理将这些数据转换为机床坐标系下的运动坐标数据。

3.3 教学效果和思考

叶轮的CAD/CAM一体化教学具有三维建模和自动编程相结合、UG NX软件操作和数控五轴机床操作相结合、实物加工和切削仿真相结合的特点，不仅调动了学生的学习主动性和兴趣，更体现了整个教学过程的设计和规划具有良好的系统性和推广性，完全满足了数控五轴加工技术的教学要求。但该实验教学方法在试运行过程中暴露了如下的问题:

1)由于教学设备只有1台且加工成本非常昂贵，不可能对每位学生的设计模型进行加工和验证。如果叶轮毛坯外径的尺寸较大(超过Φ200 mm)，从毛坯到成品的加工时间很长，如何有效利用试样加工的空档时间，需要进行合理调整。

2)整个教学对象和操作流程相对固定，而实践生产中叶轮的加工可以根据不同的加工路径方式和控制策略以及刀具类型，产生更优的整体叶轮加工方法和效果。在今后的教学过程中可以借助UG NX ISV或者Vericut等行业内多轴加工切削过程仿真软件，构建出虚拟的教学用五轴加工机床和实现切削过程的仿真，从而丰富多轴加工技术实践教学手段。

4 结束语

将数控五轴加工技术纳入教学环节是为企业提供高水平编程工程师的必然途径，目前与之相应的教学设备、教学手段和指导教材都需要进行补充、调整和完善。本实验教学尝试以整体式叶轮作为教学模型，以UG NX CAD/CAM一体化软件作为教学平台，以五轴联动加工中心作为教学设备，通过多年的教学试运行，让学生能够掌握数控五轴编程技术的流程和思路，这对于提高他们数控编程技术的综合能力起到至关重要的作用。

［1］李斌，李曦.数控技术［M］.武汉:华中科技大学出版社，2010.

［2］宗志坚.CAD/CAM技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］韩彬，刘永红.卓越工程师培养计划及教学模式思考［J］.中国电力教育，2012(29):19－20.

［4］李延斌，高有华，田方，等.面向培养卓越工程师的机械设计基础课程改革［J］.实验科学与技术，2012，10(4):231－233.

［5］陈容.基于项目教学法的机械CAD/CAM课程改革初探［J］.陕西广播电视大学学报，2011，13(2):34－37.

［6］沈春根，李海东，周丽萍.UG NX三维造型与自动编程案例精选［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［7］陆启建，褚辉生.高速切削与五轴联动加工技术［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［8］任涛.NX7.5叶轮加工模块应用的研究［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2011(5):83－87.