機械系統模型制造全過程教學實踐

康珊珊， 唐曉強， 佟 浩， 邵珠峰

(清華大學 機械工程系，北京 100084)

機械系統模型制造全過程教學實踐

康珊珊， 唐曉強， 佟 浩， 邵珠峰

(清華大學 機械工程系，北京 100084)

針對國內高校在制造專業實踐教學中存在的系統性不強、細節研究不足等問題，闡述了以實際機械系統為對象，完成汽車發動機活塞系統模型的設計、加工、測量、裝配、測試的各個環節，再現了制造全過程的實踐教學方法。實踐中根據不同的設計要求，綜合考慮工藝、精度、成本、效率等因素，采用先進的加工方法和設備，如超精密切削、電火花加工、3D打印等，最終實現系統功能運動，取得了良好的實踐教學效果。學生們通過對細節的積極探討，解決了實踐中出現的意外問題,充分體現了“做中學”的實踐教學特點。

機械系統； 機械產品； 制造全過程； 超精密切削； 電火花加工； 3D打印

0 引 言

隨著我國“由制造向智造”的轉型，制造業將迎來新一輪的挑戰。目前，企業迫切需要掌握新的制造理念、制造方法、了解制造全過程的復合型人才。這些需求正在影響著“以人為本”的高校教育，同時，也促進了制造專業實驗教學的內容與模式的變革。據調研，目前國內大多數高校在制造專業的實驗教學中存在一些問題。如大多針對某一課程的單項實驗，缺乏系統性；不是對實際系統的研究，細節研究不足等。基于上述問題，本文將闡述以實際機械系統為對象，完成設計、加工、測量、裝配、測試的全部環節，建立了以項目為驅動的產品制造全過程實踐。同時根據不同的設計要求，綜合考慮工藝、精度、成本、效率等因素，選取多種不同的制造方法。

1 實踐特點

1.1 從實際出發，以功能為目標

從汽車發動機活塞系統出發，抽象出機械系統模型后，以實現運動功能為目標，不給定設計尺寸，不指定加工方法，讓學生有一個完全自主的實踐空間。實驗中所出現的各種意外問題，更為學生創造了解決細節問題和探索科研領域的機會。

1.2 涵蓋制造全過程，系統性強

本實踐以汽車發動機活塞項目為驅動，包括系統內各零件的設計，采用不同的加工方法制造，對加工件測量判斷是否滿足設計要求，將各零件裝配成系統，并測試實際功能，再現了制造的全過程，具有綜合性、連貫性、系統性。本實踐作為一門獨立的實驗課程，所涉及的內容很好地配合了多門制造專業理論課程。

1.3 引入前沿的技術和設備

借助研究所內教師自研制的國內領先的加工設備，用于本科生教學。本實踐為學生提供多種先進的制造加工方法(見表1)，如金剛石車削，高速電火花穿孔，并聯構型3D打印，數控加工中心等，讓學生盡早接觸專業領域的前沿技術、方法，為今后的科研探究打下基礎。基于“985”三期購買的先進的測量設備，如三坐標測量機、關節臂測量機，對測試平臺和實驗組件進行形位精度測量，保證加工精度和裝配精度。

表1 加工設備

1.4 量化實驗評價標準

以裝配、功能測試、重量、剛度、成本為評價標準，采用PPT匯報的形式評定，將教師評價、學生小組互評、學生小組內自評進行綜合量化考核。

2 實踐內容與關鍵技術

汽車發動機中最常見的是往復式發動機，其工作行程分為：進氣、壓縮、作功、排氣[2]。常見的有直列四缸發動機，如圖1所示，每個活塞重復以上4個行程進行直線往復運動，再通過曲軸將直線往復運動轉化為旋轉運動，從而驅動汽車輪胎。

圖1 汽車發動機活塞實物圖

對發動機汽缸工作原理的了解，發現如果按該模型進行設計，是將直線運動轉化為旋轉運動，由于不能進行真正的點火運行，需要采用電機代替動力源。而直線電機遠沒有旋轉電機普遍，故采用其逆過程，將旋轉運動轉化為直線運動。

2.1 設計

本實踐的系統設計，從給定的功能要求，只進行運動機構設計，不進行動力學計算[3-5]。由功能進行設計，訓練學生自頂而下的設計思路是至關重要的。這樣既可以照顧全局，又有創新。本實踐項目以汽車發動機活塞為原型，讓學生不拘一格進行設計。并沒有給出具體的零件尺寸，而是對功能提出要求，抽象出一些基本的設計要素(見圖2)：活塞1、活塞銷2、連桿3、曲軸銷4、曲軸5，最終實現組件裝配和運動仿真。

圖2 發動機活塞抽象設計要素

活塞的設計[6]應包括頭部、裙部和活塞銷座3個部分。頭部設計有凹槽，用于安裝氣環和油環，起密封作用。裙部位于活塞頭部的上方，其作用是盡量保持活塞在往復運動中保持垂直的姿態，也就是活塞的導向部分。活塞銷座位于活塞裙部的上方，是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分。連桿的作用是通過配合銷釘連接活塞和曲軸。曲軸設計應包括不在同一軸線上的兩個軸[2]。

本實踐中假設項目組得到了如下的給定參數：通過排量計算得出的活塞行程和汽缸直徑，已知的實驗機架確定的曲柄、活塞缸的安裝位置和聯軸器的尺寸。要求自行設計零件尺寸和形狀，使組件裝配完成后能夠實現預定的軌跡運動，但不能產生運動干涉。設計原則：在保持剛度的前提下盡量減輕重量，同時考慮加工成本和加工難度。

加工要求根據系統功能確定。金屬零件整體精度為IT 7級，有相對運動的配合可參考H7/f6，無相對運動的配合可參考H7/g6。活塞裙部(導向部分)與頭部同軸度達到10 μm，表面粗糙度達到0.1 μm[7-10]。環槽下部有泄油孔。 根據要求制訂各零件加工工藝[11-12]。

2.2 加 工

好的設計，不一定都能加工出來，加工制造在本實踐中是個重頭戲。制造業已不再局限于車銑刨磨鑄等冷熱加工，隨著材料，加工方法的不斷革新，如今3D打印、高精密加工不斷擴展著制造業的領域。研究所內購買和自研制多種先進的加工設備，為學生在選擇加工制造方法時提供了一個平臺。以切削加工為主，結合其他加工設備(如金剛石鏡面車削，微細孔加工，并聯構型3D打印等)自由選擇制造方法。加工設備原理簡述如下。

普通切削加工是指利用硬質合金或高速鋼刀具切除被加工零件多余材料的方法。它能夠獲得具有一定幾何形狀、尺寸精度和表面質量的零件，是機械制造業中基本的加工方法。本實踐中采用的是車削加工中心和3+2軸銑削加工中心。

超精密切削技術采用刃口鋒銳的天然單晶金剛石刀具或人造金剛石刀具，配用相應的超精密加工車床及數控系統，一次切削即可獲得納米級表面粗糙度和亞微米級形面精度。

電火花加工是利用工具和工件之間的脈沖式火花放電，產生的電腐蝕現象去除工件上多余材料，以使工件的形狀、尺寸精度及表面質量達到預定要求。它是靠火花放電時局部、瞬時產生的高溫把材料腐蝕除下來，是一種非接觸式加工方法[13-15]。

3D打印是一種快速成型技術。它以3D數字模型文件為原型，通過逐層堆疊累積的方式將模型構建成真實的物體[1,16]。

在加工中遇到的問題，師生都進行了積極思考和解決。例如，在普通切削加工中，由于設計時沒有考慮加工的難易程度，導致工序復雜、多次裝夾損失定位精度，甚至現有刀具不能滿足設計要求，需要重新修改設計；在金剛石車削加工中，發現加工時只能車到一半的圓柱(見圖3)，同學們在仔細測量了零件尺寸和定位精度后，認為是上道工序留的余量較小，而進給量又非常小，使得定位誤差造成了最終的偏差；在小孔電火花加工中，電極絲總是打到一半時就斷，經過了認真的觀察和分析，發現由于加工材料是鋁，在加工中很容易被空氣氧化，導致氧化部分不再導電，電極絲繼續進給就會折斷，通過減小孔徑的深度和調整進給的速度有效地解決了這個問題；在3D打印過程中，總是出現精度不好和連接處剛度太差的情況，通過調整層厚和填充密度等參數，使情況得到了改善。

圖3 金剛石車削一半的圓柱

意外問題的出現，正是實驗教學的特點，也是與理論教學的不同之處。本實踐設計之初也考慮到會出現很多意想不到的情況，這是學生從理論到實踐應用的必然過程，只有真正動手做，才能把理論知識消化吸收，轉化為解決問題的能力。

2.3 測 量

加工后為了驗證是否符合設計要求，需要進行一系列的測量測試，如尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等。對已有測試實驗臺和各零件形位度進行測量，保證滿足所設計的精度。測量設備有三坐標測量機、關節臂測量機，游標卡尺，表面粗糙度儀等。測量時能夠發現許多在設計、加工環節容易被忽略，卻直接影響最終功能實現的問題。例如：

(1) 在多次測量3D打印的零件尺寸時發現，軸的尺寸精度比孔的尺寸精度高，而且誤差隨著尺寸的變大而增大，所以在設計時，改用了基孔制的設計方案，保證了公差與配合。同時解決了由于3D打印的精度不高，無法保證與其他切削加工零件的配合精度的問題。

(2) 在測量活塞導向部分的同軸度時，有一組的誤差比較大，進一步思考發現，由于設計的原因造成零件加工變形較大，導致誤差較大。

(3) 在測量表面粗糙度時，有一組同學發現采用金剛石車削的表面比普通切削的表面質量還差，經過反復測量對比才發現，由于上一道工序的余量留得太小，定位誤差造成車削的不是整個圓周，測量的表面金剛石并沒有車削到。

2.4 裝配測試

裝配后的精度決定產品的最終精度，研究裝配順序、方法等裝配過程，利用裝配尺寸鏈、互換法等保證裝配精度，考慮力、熱、動平衡等引起零件變形的因素，制定出合理的裝配工藝規程，對保證產品的質量有著十分重要的意義。

實際發動機活塞組件的裝配過程是比較復雜的，如活塞銷的壓裝，活塞環的安裝，連桿大頭的裝配等，目前在工廠中大多采用流水線機器裝配。本實踐中只涉及間隙配合和過渡配合，采用手工裝配，但要求采用合理的裝配方法，按照一定的裝配順序，注意裝配的精度對運動的影響。測試要求每組同學的機構能夠順暢地動起來，包含正轉、反轉、調速等。

通過裝配測試過程，同學們發現了很多存在的問題，如：忽略了曲軸與聯軸器連接的倒角問題，發現存在的機構運動的死點位置，裝配精度影響到運動的順暢，裝配運動后出現剛度不夠、零件損壞的情況等。使同學們進一步反思設計加工的過程，進行必要的設計修改和加工修配，深刻體會到整個實踐過程的系統性和綜合性。

2.5 評 價

本實踐并不是以項目完成為唯一指標，而有一些具體的評價標準(見表2)，這些標準也始終貫穿于整個設計、加工、測量、裝配環節，如裝配盡量容易，功能測試順暢，重量輕，剛度好，成本低等，盡量與實際生產接軌。

表2 評分標準

本實踐分成幾個項目小組，每個小組完成一個發動機活塞系統項目的全部開發。最后以PPT匯報的形式評定，這樣增進了各組之間的交流，共享了每組遇到的問題和獲得的經驗，倍增了實踐收獲。同時，將教師評價、學生小組互評、學生小組內自評進行綜合參考，既注重組內協調、合作，也突出了個人貢獻。

3 實踐應用

本實踐依托于清華大學“985”三期實驗室建設項目，在新開大四本科生限選課“制造工程綜合實踐”中得到應用。作為一門獨立的實驗課，由于它的系統性和綜合性，獲得了學生一致好評。圖4所示是部分學生的實踐作品，左邊為學生設計的裝配組件的運動仿真，右邊為實際加工出的裝配組件的實際運動。

圖4 部分學生作品

4 結 語

制造專業是一門實踐學科，國外對制造專業的實驗實踐是非常重視的，如美國很多大學的制造加工類設備對學生是開放的，實驗項目也可能是與企業合作的實際項目，學生能夠較多的接觸到先進的制造技術并解決實際問題，但由于教學體系的差異，國內在這方面還大部分停留在加工工藝或數控編程等制造基礎類實驗上。

本實踐希望學生能夠體會制造全過程，并且接觸到先進的制造技術和方法。設計、制造、測量、裝配測試是工業生產中幾個重要且緊密聯系的環節，怎樣在學生實驗實踐中有效地再現這些環節，并體現它們之間的內在聯系是我們機械制造專業教學一直思考的問題。從這個出發點，本實踐以項目為驅動的方式，讓學生親身參與從產品設計到裝配測試的完整過程。

本實踐今后可探索與企業合作模式，讓企業提出實際需求的機械系統模型，并納入更多的精密超精密加工制造方法，讓學生深入解決實際問題的同時，對科研產生興趣。

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Study of the Practical Teaching on Whole Manufacturing Process of Mechanical Products

KANGShanshan,TANGXiaoqiang,TONGHao,SHAOZhufeng

(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Nearly in domestic universities, there was a lack of system and depth during practice courses in manufacturing specialty. In this paper we developed a practice course which was about the whole process of manufacturing on a model of the automotive engine piston system. The practice course involved design, machining, measuring, assembly and testing. For different request, we should consider the complex impact of process, accuracy, cost and efficiency in manufacturing. Moreover, we used advanced manufacturing technologies and equipments, such as precision machining, electro discharge machining (EDM), 3D printing etc. During the practice course students discussed in details and solved unexpected problems, then they could implement mechanical motions of the model at last, and we also got a good evaluation of students. This practice turned doing into learning.

mechanical systems; mechanical products; whole process of manufacturing; precision machining; electro discharge machining (EDM); 3D printing

2016-04-07

清華大學2016年本科教學改革項目資助(ZY01-2)；清華大學第三屆實驗室創新基金項目資助(01201)

康珊珊(1980-)，女，黑龍江大慶人，碩士，工程師，研究方向：實驗教學與設備管理。

Tel.:13488787648；E-mail：kangshanshan@tsinghua.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0235-04