基于精雕机的铣削课程创新

陈远洋，张余益，郭 巍

（清华大学基础工业训练中心，北京 100084）

0 引言

随着教育教学改革的逐渐深入，我国高等工科教育的人才培养正由知识型向能力型转化，高等学校由主要重视知识传授向重视知识、能力、素质和创新思维综合发展的方向迈进。金工实习是工科高等院校对学生进行工程训练的重要实践环节之一，是一门以机械制造基础知识和技能为主的技术基础课[1]。

数控铣床是目前使用较为广泛的数控机床之一，数控铣床教学也是学生金工实习中的重要环节。数控机床加工工艺和程序编写一直是学生学习的难点，用哪种载体引导学生更好地学习数控铣床，一直是教学工作者研究的问题。通过制作指尖陀螺激发学生对数控机床的兴趣，从而理解数控机床的加工工艺与自动编程方法。最后通过装配让学生认识到工艺与加工参数对于零件精度的重要性。

1 数控铣削编程基本知识

1.1 机床坐标系

机床坐标系是以机床参考点（由机床厂家设定的固定点）作为坐标原点建立的坐标系，机床坐标系中的坐标值是数控系统判断刀具位置的依据。

1.2 工件坐标系

工件坐标系是编程时采用的坐标系，工件坐标系原点（简称工件原点）的位置是由编程人员设定的，程序中出现的坐标值是指刀具的刀位点在工件坐标系中的坐标。机床坐标系与工件坐标系的关系如图1 所示。在机床上测量机床原点与工件原点之间的偏移距离，并设置程序原点在以刀位点为参照的机床坐标系中的坐标就是加工之前的对刀。

1.3 加工方法

指尖陀螺制作外形设计与程序编写使用JDSoft SurfMill 软件。编程加工方法选择轮廓切割与区域加工。

轮廓切割的图形必须是严格的轮廓曲线组，所有曲线满足封闭、不自交、不重叠3 个条件。轮廓切割加工参数半径补偿为刀具相对轮廓曲线的偏移方向，补偿方式分为向外偏移、向内偏移和关闭3 种，如图2 所示。

适合区域加工的图案可以是任何轮廓曲线图形或文字，但是这些图形必须满足封闭、不自交、不重叠的原则。区域加工参数包括走刀方式及相应的走刀参数。区域加工的走刀方式有3种，分别为行切走刀、环切走刀和螺旋走刀。由于本次毛坯为棒料，所以选择环切走刀。环切走刀是沿边界曲线环绕走刀。

2 指尖陀螺造型设计

2.1 设计尺寸

结合指尖陀螺旋转理念与加工时间，毛坯选择直径70 mm的铝合金棒料，因此学生设计的陀螺外形尺寸不能超过Φ68 mm（考虑毛坯尺寸不是合格的Φ70 mm 棒料）。陀螺成品整体厚度为5 mm。

2.2 设计要求

由于学生初次学习铣削加工，本次提供学生可使用刀具分别为Φ8、Φ6、Φ4 的牛鼻刀（牛鼻刀增大了和材料接触部分的强度，减少甚至可以避免出现崩刀现象。牛鼻刀与平底刀相比在保持刀具强度的前提下，降低切削线速度，刀具寿命增加）。此次陀螺造型只是凹凸台阶状，没有曲面造型，学生设计只需绘制二维图。根据刀具大小，设计凹槽最小宽度4.5 mm，最小孔直径5 mm。

2.3 设计方法

选择JDSoft SurfMill 软件，切换至2D 绘制界面绘制二维图。首先确定毛坯与轴承孔大小，依次绘制直径12.7 mm、17.7 mm、66 mm、74 mm 的圆。然后采用曲线绘制、曲线编辑、变换等命令绘制陀螺造型（在保证设计尺寸与设计要求前提下，陀螺造型自行设计）。

3 编写程序

3.1 建立工件坐标系

选中二维绘制界面绘制完成的设计图（确保线条为封闭、不自交、不重叠）。选择变换中的并入3D 环境命令将二维图并入3D 造型界面（只能并入一次，否则会有重复线）。

由于此次加工选择棒料，所以工件坐标系原点建立在圆心。选择变换中的图形聚中命令进行X 轴中心聚中、Y 轴中心聚中。建立完工件坐标系后方可进行编程。

3.2 设置刀具、毛坯

建立完成坐标系后进行编程。切换至加工界面，首先要设置加工刀具与系统毛坯。刀具表中设置1 号刀为8 mm 平底刀，3号刀为6 mm 牛鼻刀，5 号刀为4 mm 牛鼻刀（注意：编程时刀具输出编号要和半径补偿号、长度补偿号一致）。毛坯形状选择柱体，底半径和顶半径为37 mm，锥高15 mm。原点Z 为-15 mm。

3.3 选择加工方法、修改参数

本次提供选择加工方法为两种：区域加工与轮廓切割，区域加工为主，轮廓切割为辅。

在导航工作条刀具平面俯视图处鼠标右键选择路径向导，选择1-2.5 轴加工组下的区域加工与轮廓切割。区域加工主要修改参数为走刀方式、深度范围、路径间距、轴向分层、刀具名称、主轴转速、进给速度、加工图形；轮廓切割主要修改参数为半径补偿、深度范围、轴向分层、刀具名称、主轴转速、进给速度。详细参数说明见附件参数表。

3.4 仿真

在导航工作条刀具平面俯视图鼠标右键选择加工模拟，仿真前需调整好位置与角度（按下鼠标滚轮，拖动鼠标进行角度调整，滚轮前后进行缩小放大）。点击播放按键进行仿真，检查路径是否正确。图3 为学生仿真结果。

图3 学生设计仿真图

3.5 后置处理

在导航工作条刀具平面俯视图鼠标右键选择输出路径，在设置里修改机床输入文件格式为Eng V6.50（JD50）。完成确定，程序路径转换为G 代码，机床执行G 代码进行零件加工。

4 课程效果

从毛坯下料到设计编程均由学生独立完成，通过创意产品的制作，激发学生学习兴趣，最终理解数控加工工艺，并且取得良好的教学效果，图4 为指尖陀螺实物。数控加工工艺就是根据零件图样编制零件加工程序，主要包含零件加工顺序、加工路线、切削用量以及辅助功能等。指尖陀螺的成型过程可以阐述这一点，达到课程的预期效果。

图4 指尖陀螺实物

5 总结

以指尖陀螺为载体，让学生对铣床有总体认识，深入理解与应用数控铣床，了解数控铣床加工零件流程。通过编写程序，理解和掌握自动编程方法及其参数含义。基于零件不同特征，合理选择加工方法与参数设置，不仅提高加工质量，而且节省时间。本次实习课程，既是对学生实际操作能力的培训，又是对理论知识的复习巩固和延伸，为后期学习打下坚实基础。