3D打印在機(jī)械制造綜合實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

劉利劍 周京博 秦志英

摘要：機(jī)械制造綜合訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)有益于學(xué)生深入理解機(jī)械制造工藝過程，鍛煉動手能力，提升綜合素質(zhì)。針對殼體零件制造存在的制模困難、周期長、成本高的問題，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于殼體模型的制作，使學(xué)生既掌握了先進(jìn)的3D打印技術(shù)，又掌握了殼體的制造工藝。本文給出了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計，介紹了教學(xué)的實(shí)施和課程的考核方式，并對教學(xué)效果進(jìn)行了分析。實(shí)踐教學(xué)鍛煉了學(xué)生獨(dú)立完成復(fù)雜零件機(jī)械加工的能力，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，取得了良好的教學(xué)效果，為在機(jī)械制造綜合實(shí)踐教學(xué)中引入3D打印技術(shù)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；3D打印；減速器殼體；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0103-02

機(jī)械制造是與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系的一門課程。現(xiàn)在機(jī)械制造實(shí)踐教學(xué)多以軸、法蘭等單個簡單零件的加工作為訓(xùn)練內(nèi)容，難以組成一個具有完整功能的產(chǎn)品，不能充分調(diào)動學(xué)生參與的積極性。完整產(chǎn)品通常都需要有殼體零件，并由其將產(chǎn)品中的其他有關(guān)零件連接成一個整體，完成彼此的功能。殼體零件具有形狀復(fù)雜、有精度要求較高的孔和面等特點(diǎn)，讓學(xué)生加工殼體零件，可以使其更加深刻地體會基準(zhǔn)的選擇、零件的定位、夾緊等機(jī)械制造課程中的核心內(nèi)容，綜合性也較強(qiáng)。但殼體零件的制造通常需要制作復(fù)雜的模具，導(dǎo)致周期長、成本高，難以在實(shí)踐教學(xué)中廣泛推廣。

3D打印是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，并且正在逐步被引入到三維建模、模型制作、模具設(shè)計等教學(xué)活動中，并取得了良好的教學(xué)效果。將3D打印技術(shù)引入機(jī)械制造綜合實(shí)踐教學(xué)過程中，既可以使學(xué)生掌握3D打印的基本方法，也可以在此基礎(chǔ)上完成殼體后續(xù)的機(jī)械加工工藝，提升機(jī)械制造綜合訓(xùn)練的效果，對培養(yǎng)大學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力起著重要作用。

一、綜合實(shí)踐教學(xué)的基本內(nèi)容

機(jī)械制造綜合實(shí)踐是在修完機(jī)械制圖、金屬工藝學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計、互換性與測量、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械制造裝備設(shè)計等課程后進(jìn)行的一次以產(chǎn)品制造為目標(biāo)的綜合性實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。其圍繞齒輪減速器殼體的制造展開，其主要內(nèi)容如下：掌握編制殼體零件機(jī)械制造工藝規(guī)程；選擇和調(diào)整加工機(jī)床、刀具、夾具；按照圖紙上的技術(shù)要求使用數(shù)控機(jī)床加工出合格零件；使用激光快速成型機(jī)制作蠟?zāi)＃W(xué)習(xí)熔模鑄造的工藝；使用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行零件的形位精度測量；完成上下殼體的裝配；等等，從而使學(xué)生全面地參與到產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程中，真正理解“機(jī)械制造”的含義。

二、教學(xué)過程的實(shí)施

1.殼體蠟?zāi)５?D打印與修整。用激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)SLS（Selected Laser Sintering）進(jìn)行殼體的3D打印，既解決了零件生產(chǎn)的快速性問題，也激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新思維。學(xué)生先用三維軟件進(jìn)行殼體造型，再進(jìn)行鑄造收縮率的縮放，然后用MAGICS軟件對模型進(jìn)行切片處理，最后在3D打印機(jī)上進(jìn)行快速成型。對打印完畢的蠟?zāi)＃枰紫葯z查有無缺陷，重要尺寸是否合格，如果沒有問題再對模型進(jìn)行修模，內(nèi)容包括：（1）用刀片削掉飛邊或分模線，對小飛邊也可直接用布擦除；（2）蠟?zāi)Ｉ嫌写蠖M長的凹處應(yīng)用修補(bǔ)蠟修復(fù)；（3）蠟?zāi)Ｉ先粲袣馀荼仨毺羝疲眯扪a(bǔ)蠟修復(fù)。

2.殼體的鑄造及機(jī)械加工。3D打印得到的蠟?zāi)＝?jīng)過修整與拋光處理后即可進(jìn)行熔模精密鑄造，得到殼體的鑄件。整個過程不過2—3周的時間，鑄件精度可達(dá)±0.3mm，能完全滿足減速器殼體的精度要求。更關(guān)鍵的是在殼體鑄造過程中引入3D打印技術(shù)，節(jié)約了寶貴的課時，降低了殼體毛坯的制造成本。學(xué)生在設(shè)計三維造型時，可以創(chuàng)造性的在任何部位寫上自己的名字或其他標(biāo)記，以區(qū)別于其他人的作品，提高了學(xué)生參與的積極性。

對殼體零件毛坯進(jìn)行機(jī)械加工可使學(xué)生更加深入地體會機(jī)械制造的工藝過程，主要內(nèi)容包括：（1）審核零件圖；（2）編制零件加工工藝過程卡；（3）編制零件主要工序的工序卡；（4）審核工藝過程卡及工序卡；（5）學(xué)習(xí)數(shù)控加工機(jī)床的程序編制；（6）夾具設(shè)計及定位誤差分析；（7）完成減速器箱體的加工；（8）完成重要尺寸公差和形位公差的檢驗(yàn)，填寫關(guān)鍵零件關(guān)鍵尺寸的檢測報告。在完成上述工作的過程中，使學(xué)生對整個機(jī)械制造工藝過程有了更加深刻的理解，動手能力得到了充分的鍛煉。

3.組織方式及考核。建立小組式綜合實(shí)踐訓(xùn)練模式，每個班以6—7人為單位分成若干小組，由各小組長負(fù)責(zé)工作計劃的綜合與協(xié)調(diào)，指導(dǎo)教師作為技術(shù)顧問和生產(chǎn)組織顧問并負(fù)責(zé)產(chǎn)品生產(chǎn)的實(shí)施及過程監(jiān)控。實(shí)踐結(jié)束時，學(xué)生要完成齒輪減速器殼體的結(jié)題報告，包括：設(shè)計圖紙、說明書、生產(chǎn)項(xiàng)目任務(wù)分配表、工藝過程卡、工序卡、質(zhì)量檢驗(yàn)報告和進(jìn)度總結(jié)報告。提供完整的減速器殼體成品，參加答辯。由指導(dǎo)教師組成答辯組評定成績，成績以百分制記分，考核內(nèi)容包括：（1）零件的結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)的合理性，圖紙質(zhì)量；（2）通過答辯考核學(xué)生對設(shè)計方法的掌握程度，對設(shè)計理論的了解程度；（3）考核學(xué)生對工藝規(guī)程編制方法的理解以及編制工藝規(guī)程的能力；（4）檢查殼體零件是否符合設(shè)計要求，并考核制造過程中的具體工藝問題是如何解決的；（5）考核總結(jié)報告是否符合要求；（6）考核每一位學(xué)生所負(fù)責(zé)的工作內(nèi)容按時間進(jìn)度的執(zhí)行情況。每一部分分別給分，最后以每一部分的分?jǐn)?shù)之和作為綜合實(shí)踐成績。

三、實(shí)踐教學(xué)效果

齒輪減速器殼體的機(jī)械制造綜合訓(xùn)練是一次理論聯(lián)系實(shí)際，深入了解設(shè)計概念和制造過程的實(shí)踐考驗(yàn)，使學(xué)生鞏固、加深和擴(kuò)展了機(jī)械制造技術(shù)方面的知識，提高了綜合素質(zhì)。圖1（a）、圖1（b）為學(xué)生根據(jù)二維零件圖所畫的上下殼體的三維模型，這充分訓(xùn)練了學(xué)生的三維建模能力；圖1（c）為采用3D打印得到的蠟?zāi)＃粓D1（d）為加工完成的殼體。在機(jī)械制造綜合訓(xùn)練完成時，每個小組均獨(dú)立完成了一個減速器殼體的加工，將課本講述的機(jī)械制造方面的知識進(jìn)行了一次全方位的實(shí)踐。

在整個項(xiàng)目的實(shí)施使學(xué)生掌握了3D打印的基本原理和方法，掌握了采用3D打印方法快速制造殼體模型的方法，掌握了機(jī)械加工工藝規(guī)程的制定，掌握了工件定位的基本原理和方法，掌握了機(jī)械加工零件質(zhì)量的評價方法。通過小組式項(xiàng)目管理模式，既鍛煉了學(xué)生的溝通能力、協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)精神，又鍛煉了學(xué)生設(shè)計與制造方面的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語

通過3D打印使殼體零件模型的制造成本得到了大幅的降低，同時保證了殼體毛坯的制造周期。在殼體毛坯到合格零件的加工過程，不僅使學(xué)生將課本知識與實(shí)際的制造過程很好地結(jié)合到了一起，加深了對各種加工設(shè)備的認(rèn)識，而且運(yùn)用了零件定位原理的相關(guān)知識，分析了保證加工精度的方法，提高了分析問題、解決問題的能力。在此過程中，還通過完成各種工藝文檔鍛煉了寫作能力。因此，基于3D打印的機(jī)械制造綜合實(shí)踐教學(xué)能對學(xué)生的綜合能力進(jìn)行鍛煉和提高，是3D打印技術(shù)在機(jī)械制造綜合訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)中的成功應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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