五轴数控铣削本科毕业设计指导与实践

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  • 更新时间2019-11-20
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  摘要:结合“中国制造2025”和工业界对多轴数控人才的急迫需求,科学合理设置多轴数控铣削加工类本科毕业设计教学体系,从CAD到CAM全方位锻炼学生多轴加工各方面能力,在培养高级别多轴数控加工人才方面进行有益探索。实践表明,五轴铣削加工类本科毕业设计培养体系是有效的、合理的,并且取得了良好的教学效果和社会效益。


  关键词:本科毕业设计;五轴铣削加工;数控技术


  作者:王朝琴1,王小荣2(1.兰州交通大学铁道技术学院,甘肃兰州730010;2.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730030)


  制造业是国民经济的主体,是“立国之本,兴国之器,强国之基”,没有强大的制造业,中华民族的崛起就失去了基础。在我国制造业面临转型的关键时期,国务院于2015年5月发布了的“中国制造2025”[1],这个被称为中国版“工业4.0”的国家规划为我国制造业制定出3个10年的“三步走”战略。“中国制造2025”的成功实施,必将使我国制造业实现从低端向高端的转变,并进一步占领全球制造业制高点。作为21世纪制造业竞争的核心技术,“中国制造2025”也为我国数控技术和数控机床的发展指明了道路。


  数控技术已经作为制造业的利器,在各个行业产生了深入而持久的影响力,扮演着升级制造业利器的关键角色。因此,数控机床也被“中国制造2025”列为国家大力推动重点领域的第2位,数控技术和数控机床在我国制造业中的重要性可见一斑。21世纪制造业的竞争实质上是数控技术的竞争,而数控技术的竞争实质上是人才的竞争,建设一批高素质的数控人才队伍,对发展我国数控技术和数控机床、提高我国制造业竞争水平和保证“中国制造2025”顺利实施具有根本性的决定意义。


  在本科人才培养各教学环节中,本科毕业设计是高校实现人才培养目标最具综合性的实践教学环节,是培养学生运用所学知识分析解决实际问题能力、独立工作能力和创新意识的重要途径[2-5],是学生系统学习专业知识、加强实践以提高综合能力的一次重要综合教学过程[6-7],也是一所高校教学质量的反映。作为一门实践性非常强的课程[8],数控技术在机械类课程中历来是最受学生欢迎的课程,然而现有的以三轴数控铣床为平台的本科数控教育相当普及,不能满足工业界对多轴数控加工人才的急迫需求,开展五轴数控铣削教学成为数控教育当务之急。


  1五轴数控铣削本科毕业设计体系


  围绕五轴数控铣削,可以设置基于UG、ProE、CATIA和PowerMill等软件系统的多轴铣削毕业设计题目,研究内容要具有综合性,能有效综合训练CAD、CAM、数控编程、数控加工工艺、机械制造工程、机械设计和机械原理等方面的课程。研究对象要有代表性,要有工业应用背景,而且是具有复杂曲面特征的零件,鼓励学生自行选择研究对象。以“叶轮叶片CAD建模及五轴CAM仿真”毕业设计题目为例(见图1),选择极为典型的五轴加工对象——叶轮叶片[9-12]为毕业设计研究对象,选取一个集成制造软件为平台,依托叶轮叶片设计理论和曲面设计理论,结合五轴数控铣床、切削原理和选定品牌数控系统,可以完成叶轮叶片从CAD建模到CAM的全过程训练,贯通本科期间所学课程如数控机床结构、集成制造软件、机械加工工艺和机器人运动学等诸多课程内容。


  2五轴数控铣削本科毕业设计实施


  由于本科毕业设计只有60~70d时间,合理安排各阶段的任务是保证高质量完成毕业设计的前提。图2是以“叶轮叶片CAD建模及五轴CAM仿真”为例进行的毕业设计各阶段安排。


  五轴数控铣削类毕业设计按65d进行,以“叶轮叶片CAD建模及五轴CAM仿真”为例,第一阶段15d学习CNC机床基础,第二阶段10d学习数控加工工艺,第三阶段10d完成叶轮叶片CAD建模,第四阶段完成叶轮叶片CAM和仿真,第五阶段用于撰写论文并准备答辩。在上述5个阶段的紧张学习中,学生可完成五轴数控铣削所涉及到的各方面的知识理论,并围绕叶轮叶片的CAD和CAM完成融汇贯通,并以仿真结果得以体现。


  3五轴数控铣削本科毕业设计实施效果


  以“叶轮叶片CAD建模及五轴CAM仿真”为例,本课题要求学生基于UG完成相关工作。


  3.1叶轮叶片CAD建模


  图3为学生叶轮叶片建模结果。叶轮叶片的结构设计一般是针对叶片结构特征库为基础进行结构快速设计,它涉及到的关键技术有特征分析、特征建模和特征参数化等。建模的难点在于前缘和后缘的扭曲程度的设计,扭曲程度过大,叶片在实际工作中的变形较快,使用时间减少;扭曲程度过小,会影响整个发动机的工作效率。从几何上表示,叶形参数优化可分为解析法、B样条曲线、bezier和NURBS4种方法。


  3.2定义部件、毛坯和检查几何体


  叶轮叶片分析包括轮毂、包覆、叶片、叶根圆角、分流叶片5部分。叶轮叶片加工使用五轴编程方法来加工。


  (1)指定部件:指定叶轮叶片。


  (2)指定毛坯:毛坯由包覆叶轮叶片,车床圆柱得到。


  (3)指定检查体:指定装夹具体。


  定义几何体、为铣削定义毛坯和铣床所用夹具体,毛坯与夹具体通过螺栓一同连接到铣床。


  3.3定义叶片几何体


  如图4所示定义轮毂、包覆、叶片、圆跟角。


  3.4创建刀具


  根据工艺要求,创建不同规格铣刀。


  3.5安装部件到机床


  (1)从库中调取机床。


  (2)选择sim-mill-5ax-sinumerik-mm(AC转台,五轴,西门子控制系统)。


  (3)将毛坯夹具体装夹到机床上,见图5。


  3.6加工工序编程


  零件的编程以毛坯开始,遵循由粗到精加工顺序,分别完成叶片粗加工(轮毂粗加工)、叶片精加工、分流片精加工、轮毂精加工、叶根圆角精加工和分流片叶根角精加工,并在UG中通过仿真(见图6)检查是否有碰撞、过切和欠切等错误,完成叶轮叶片的全部加工。


  3.7后处理与程序生成


  选择西门子五轴后处理,该后处理A轴与C轴同一平面内,后处理生成西门子840D控制对应CNC程序。


  3.8Vericut仿真验证


  在Vericut环境下,仿真前先做如下设置:


  (1)数控系统与机床的选择:控制系统选择西门子系统840D,机床为UG库中机床,重新在Vericut中组装,即为AC转台的五轴数控铣床;


  (2)添加毛坯与夹具体:φ100mm×100mm圆柱体毛坯;


  (3)设置G代码偏置:偏置名为程序零点,位置从组件tool到坐标原点的PROGRAM_ZERO;


  (4)添加刀具。


  在完成上述设置后,将3.7中生成的程序导入Vericut中,可以验证所采用的加工策略和程序代码的正确性,图7为Vericut环境下的仿真情况。


  4结语


  通过五轴数控铣削加工类毕业设计锻炼,学生很好地掌握了五轴数控编程关键技术,成功地完成了复杂零件的五轴数控加工编程及仿真,建立了从事数控多轴加工的基本信心,为将来的职业奠定了坚实基础。


  通过合理设置五轴数控铣削类毕业设计题目,每年有5~10名学生选择此类型毕业设计,完成效果喜人,学生普遍表现出了前所未有的积极性,保质、保量地完成毕业设计。此类题目的设置和实施,极大地提高了学校在数控技术方向对学生的培养水平,为我国数控行业输送出高级别数控人才,取得了良好的社会效益。