張占莉?薛曉峰

摘 要：本文以數控多軸一體化課程的典型學習任務——半球凸臺元素的精加工為例，對多軸加工典型案例的教學研究與實踐進行探索。

關鍵詞：數控編程 多軸加工 實施方案

本學習任務需要解決的問題是對半球凸臺元素進行精加工，使最終產品滿足尺寸精度、表面粗糙度要求。

一、解決方法探索

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

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

二、方案初定及實施

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

在實施過程中學生逐步意識到，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量，也無法進行清根操作。因此判定利用此方法具有一定的局限性。

三、優(yōu)化方案

教師指引學生開闊思路，并引導學生進行思考。設想只用一把立銑刀可采用五軸側刃切削的方法，能解決不同刀具產生接刀痕的問題和換刀輔助時間變長的問題。根據優(yōu)化方案，學生使用立銑刀，采用五軸側刃切削策略，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。

學生通過進一步分析發(fā)現，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齒狀“臺階”，影響表面質量。如果使用很小的行間距，在保證加工質量的同時，又會出現加工效率降低的現象。教師進一步引導學生采用刀軸側傾的方式加工。此方法使刀具側刃與曲面保持線接觸，既提高了工件表面質量，又提高了加工效率。此時教師不提示刀軸側傾需要清根，等待學生自己發(fā)現問題，讓學生在課堂中不依賴教師。

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

四、深化方案

（一）解決過切問題

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

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

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

CAD軟件畫出的位置關系圖中的陰影處為過切部分，由此確定相應的刀具半徑補償值增加量。此過程在夯實學生所學知識點與技能點基礎的同時，循序漸進地引入了新內容。

（二）確定最優(yōu)走刀方式

確定刀具和策略后，在教師的引導下，學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，最終完成學生的橫向思維擴展過程。

使用螺旋走刀方式，刀具軌跡是連續(xù)的，不會出現刀具在零件上停頓造成的刀痕，使整體表面質量一致，配合高質量的CAM軟件和程序相關參數的設置，可有效滿足表面粗糙度要求。缺點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，換向點設置于零件豁口區(qū)域，換向過程對零件表面沒有影響，運行軌跡簡單，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，計算出最大過切量為0.03mm，刀具半徑補償值+0.03mm（0.03mm在公差范圍內，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“側刃驅動體”，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）。在實習車間，將學生分為ABC三組，采用不同加工方式和同樣的參數來驗證分析結果。

六、小結

本學習任務教學的重點在于讓學生主動思考。學生在解決問題的過程中學習了新內容，提高了分析問題、解決問題的能力。教學過程中學生是主角，教師作為觀察者和引導者切勿對學生提出的解決問題的方法做出評判，當學生思維陷入困境、需要幫助時，教師可做適當引導。鼓勵并協(xié)助學生驗證自己的想法是教師在這個過程中的主要任務。

本學習任務的教學實踐過程是“面對問題—分析問題—提出多種解決方法—分析優(yōu)缺點—對比優(yōu)劣—選擇最佳方案”的過程。這個過程適合解決數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。在教學的同時授學生以“漁”，讓學生能更好地適應未來工作需要。

參考文獻：

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[2]昝華.SINUMERIK828D銑削操作與編程輕松進階[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3]丁源.UGNX10.0中文版從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2016.

（作者單位：北京汽車技師學院）