金屬切削加工綜合實驗方案探究

趙海寧

摘要：金屬切削加工在機械制造專業人才培養體系中具有非常重要的作用。文章深入探討了金屬切削加工綜合實驗開設的必要性，并對教學方案的實驗內容、測試方法及分析技術進行了研究，最后對整個教學過程進行預演和評估，希望能對機械制造類專業課程建設和改革提供一些參考。

Abstract： Metal cutting plays a very important role in the training system of mechanical manufacturing professionals. This paper deeply discusses the necessity of setting up the comprehensive experiment of metal cutting， and studies the experimental content， test method and analysis technology of the teaching scheme. Finally， the whole teaching process is previewed and evaluated， hoping to provide some reference for the construction and reform of mechanical manufacturing professional courses.

關鍵詞：金屬切削加工;綜合實驗;方案;拓展

Key words： metal cutting;comprehensive experiment;scheme;development

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0242-02

0? 引言

金屬材料的加工與運用對人類社會的進步起到了至關重要的作用，尤其是工業革命以來，金屬切削加工始終是工業發展的重要內容和物質基礎，時至今日，在機械制造中仍占有很大的比例。金屬切削加工要具備三個基本條件，即刀具具備切削性能、刀具具有適當的幾何參數和刀具與工件間有相對運動，這就需要機床、夾具、刀具和工件構成一個切削加工系統，而切削過程的各種現象和規律都要在這個系統的運動狀態中去探究，隨著科學技術的不斷進步，切削加工技術也有了很多突破和發展，加工質量和生產效率得到了大幅提升，加工成本也有效降低，這其中金屬切削原理與刀具基礎理論的研究工作起到了至關重要的作用[1]。因此開展金屬切削加工綜合實驗，讓學生更加深入細致地學習金屬切削加工相關知識，可以更好的培養機械制造專業高端人才，為我國的裝備制造傳統產業結構調整、先進制造技術水平提升服務[2]。

1? 金屬切削加工類實驗教學現狀

金屬切削加工類實驗一般為機械制造技術基礎的課內實驗，是機械設計制造及其自動化專業、車輛工程專業必修內容之一，一般設有車刀標注角度的測量和車削力的測定及經驗公式的建立兩個實驗項目，每個實驗項目都有相應的實驗目的與要求（見表1）。

兩個實驗是金屬切削加工類實驗的基礎，可以讓學生初步掌握金屬切削實驗的基本方法和技能，同時對有關測量儀器及實驗數據的處理有一定了解，但是對于切削加工系統中同等重要的因素（如車削熱、車削溫度、車削加工特性、切屑控制、刀具磨損、刀具壽命等）的了解程度還遠遠不夠。

現代智能制造日益成為制造業發展的重大趨勢和核心內容，在設計和使用特種機床和刀具，或者是應用高切削性能新材料甚至刀具磨損自動補償系統設計等生產應用時，都要全方位地考慮眾多因素的影響，因此，讓學生全面細致地了解和掌握金屬切削加工相關知識非常必要。

2? 金屬切削加工綜合實驗的設計

金屬切削加工綜合實驗要將車刀構造、車削力、車削熱、車削溫度、車削加工特性、切屑控制、刀具磨損、刀具壽命等知識點融為一體，使學生進一步掌握和鞏固理論知識的同時，充分發揮學生獨立思考、協同合作、應用拓展等能力，培養學生應用現代信息化測試技術和工具解決工程實際問題的能力，使之成為一門綜合型、設計性、實用性實驗課程[3]。

2.1 豐富教學內容? 金屬切削加工綜合實驗的教學內容一定要全面覆蓋，因此要將實驗教學內容最大程度地豐富，使學生對金屬切削加工要素有全面細致地了解。

2.1.1 增加“切削層變形觀察與測量”實驗項目? 切削層變形指的是被切削的金屬層在刀具的切削刃及前刀面的作用下受擠壓而產生的剪切滑移變形，不同金屬材料的形成過程也不盡相同。灰鑄鐵、球墨鑄鐵等脆性材料的切削層是在刀具作用下先被擠壓變形，然后形成裂紋并沿著某一曲面迅速脆斷，而形成單元切屑、崩碎切屑;而銅、鋁、碳鋼等韌性材料則是在刀具作用下形成兩個變形階段，在第一變形階段中首先形成滑移線，被切削金屬沿滑移線產生滑移變形，而后在第二變形階段內切屑底層的晶粒進一步被拉長，甚至幾乎平行于前刀面，最終形成擠裂切屑、帶狀切屑，這種直觀的觀察讓學生印象深刻。

切屑形成的過程及切屑層的變化規律是研究切削加工中各種物理現象（切削力、切削熱、切削溫度、刀具磨損、加工表面質量等）的基礎，觀察切屑形成的過程對于學生直觀了解相關知識有非常好的信息表達效果，而通過觀察切削速度、進給量和刀具前角等因素對切削層變形的影響，也會對學生掌握切削層變形機理起到非常直觀深刻的促進作用[4]。

2.1.2 增加“車削溫度測定及經驗公式建立”實驗項目? 切削加工過程中所產生的切削熱除了少部分逸散到周圍介質中以外，其余均傳入工件、切屑和刀具中，產生的溫升引起工件變形、加速刀具磨損，因此切削溫度的測量非常有必要。只有準確的測量才能掌握切削用量等因素對車削溫度的影響規律，并建立車削溫度的經驗公式，在高精度加工中設計合適的加工參數，保證加工質量。

測量切削溫度的方法有很多，而工程中最為常用的是刀具—工件自然熱電偶法。利用刀具和工件材料的差異作為自然熱電偶的“冷”、“熱”兩極而形成閉合回路，切削工作時，刀具、工件及鐵屑處的溫度急速升高而形成熱電偶的熱端，而刀具尾端和工件的引出端溫度變化很小而形成熱電偶的冷端，從而產生溫差電動勢，經過熱電特性標定而轉換成對應的溫度值。

2.1.3 增加“刀具磨損測量及曲線繪制”實驗項目? 刀具磨損在金屬切削加工過程中是不可避免的一種現象，隨著切削加工的進行，刀具必將產生磨損并且不斷發展，而刀具的磨損又在很大程度上影響著工件的尺寸精度和加工表面的質量。切削速度是對刀具磨損影響最大的因素，因此確定切削速度與刀具耐用度間的曲線關系具有非常重要的意義。

對刀具的前刀面、后刀面磨損情況進行的測量之后，將磨損形態繪制并標注，讓學生掌握測量刀具磨損的基本方法，加深對刀具磨損的認識;采用逐點停車法制作刀具磨損曲線，讓學生直觀的了解磨損過程中各個階段的磨損速率的差異，更加深刻的掌握加工過程中的刀具磨損規律。各個切削用量參數中，切削速度對于刀具的磨損影響最大，在其他參數不變的前提下，改變切削速度進行同樣加工時，可以得出一組切削速度相關的磨損曲線，進而求出不同切削速度下的刀具耐用度，將各組數據在雙對數坐標紙上標注并連線，便可得到一條表示切削速度和刀具耐用度之間關系的曲線，進而可以推導出反映關系的泰勒公式。

2.2 拓展測試技術? 實驗與測試技術緊密相連，隨著測試技術的發展，新的測試方法層出不窮。因此，為了保證測試的科學性和先進性，有必要對原有的測試技術進行拓展和更新（見表2），這樣也能讓學生了解和掌握更多的測試技術。

2.3 延展分析方法? 實驗獲得的原始數據要進行分析處理才能獲取相應的結論，各種分析方法優缺點和適用范圍也不盡相同，在金屬切削加工綜合實驗中除了對常規的單因素圖解法和一元線性回歸法做詳細講解和應用外，還將正交回歸實驗設計、多元線性回歸和方差分析有機結合，讓學生了解各種實際問題的解決方法[5]。

3? 金屬加工綜合實驗的教學過程

3.1 課前滲透預研? 課前對金屬加工綜合實驗的實驗原理及方法進行分層次、漸進式的知識點滲透，并要求學生進行預研，并完成相應的預研分析和驗證目標，讓學生帶著疑問、帶著興趣、帶著信心走入實驗室，通過有效的預研效果測試，讓學生壓力與動力并存，從而保證良好的預研效果，使學生牢牢掌握實驗學習的主動權[6]。

3.2 課中引導啟發? 實驗過程中，以任務驅動，用目標引導，要求學生根據具體條件自擬實驗參數，啟發學生自主組織實驗工作，讓學生從認知、動手實踐到思考、思維拓展，在實驗任務的驅動和引導下，掌握必需的理論知識和操作技巧，經過獨立思考和小組討論，提出問題、分析問題、解決問題，扎扎實實地完成實驗任務。

3.3 課后歸納鞏固? 完成實驗并進行數據處理分析之后，還要求學生對實驗過程、實驗結果進行歸納和總結，以檢驗整體教學效果。通過歸納總結，可以讓學生理順知識結構、鞏固知識重點和技術難點，使學生在實驗教學過程的實踐能力和工程水平不斷提升，創新精神和創新能力不斷提高，成為提升學生創新實踐能力的有效途徑[7]。

4? 結語

金屬切削加工綜合實驗可以讓學生更加深入細致地學習金屬切削加工相關知識，在實驗動手能力、獨立思考能力、分析總結能力、團隊協作能力得到綜合訓練的同時，在設計環節中激發學生的創新實踐能力，體現創新意識，使學生機械制造專業素質得到有效提升，為我國裝備制造業輸送高水平專業人才。

參考文獻：

[1]王玥，張小奇.“三維啟六環施”教學模式在中職學校課堂中的教學設計——以金屬加工與實訓課程為例[J].內燃機與配件，2020（17）：252-253.

[2]賈娜，孫壯志，劉誠.通過“課程思政”培養學生工匠精神的實踐與探索——以“金屬切削原理與刀具”為例[J].黑龍江教育（理論與實踐），2020（05）：1-3.

[3]李麗偉.《金屬切削原理與刀具》課程教學的實踐與探索[J].教育教學論壇，2018（28）：158-159.

[4]李雙青.《金屬切削加工方法與設備》課程的信息化教學實踐及改革思考[J].內燃機與配件，2019（23）：281-282.

[5]史岳鵬，焦陽，姬真真.研究引導型教學模式在應用型大學中的探索與實踐[J].大學教育，2021（04）：36-38.

[6]劉宇，別海楠.加工過程仿真技術在本科教學中的思考與實踐[J].科教導刊（中旬刊），2016（02）：59-60.

[7]孫瑩.基于《金屬切削加工方法與設備》課程的混合式教學設計研究[J].內燃機與配件，2020（17）：224-225.