基于OBE 工程認證的數(shù)控車削螺紋教學研究

張棟梁，張政潑

（桂林航天工業(yè)學院，廣西 桂林 541004）

1 問題分析

OBE（Outcome based education）工程教育認證是一種以導向教育為核心的教育理念。在OBE 教育理念中，教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果（Learning outcomes），采用反向設計方式，從需求出發(fā)設計教學。螺紋加工是機械加工的重要部分。在數(shù)控車削的考試、考核、競賽和晉級中，螺紋的數(shù)控加工都是重點考核內(nèi)容，因此數(shù)控車削是機械設計制造及其自動化專業(yè)數(shù)控工藝及編程課程中的重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)教學過程中，通過PPT 課件、視頻和動畫講解數(shù)控車削命令，雖然學生能夠聽懂課程內(nèi)容，但是一方面缺乏和相關專業(yè)知識的聯(lián)系，另一方面學生的參與度差，缺乏動手編程的環(huán)境，導致教學效果不理想。筆者在實際教學過程中，分析研究OBE 工程教育理念，以解決實際工程問題為導向，從分析M24X3 螺紋加工的工藝入手，編寫數(shù)控加工程序，并分析數(shù)控加工程序中螺紋加工工藝的實現(xiàn)。

2 教學設計

由于螺紋數(shù)控車削加工是數(shù)控工藝及編程的重要課程內(nèi)容，為了讓學生能盡快掌握要學的知識和技能，課程組教師在教學設計時，以實際工程案例的M24X3 的螺紋車削加工為例，從解決螺紋結(jié)構(gòu)入手，分析螺紋加工工藝，引入數(shù)控車削數(shù)控程序的編寫，并分析數(shù)控程序中螺紋加工工藝的實現(xiàn)，最后通過斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)驗證程序編寫的正確性。在教學過程中，充分結(jié)合機械制圖、機械制造技術、機械原理、機械設計和數(shù)控工藝及編程專業(yè)知識，實現(xiàn)課程體系的聯(lián)通，提高學生的學習效果，如圖1 所示。

圖1 課程內(nèi)容與課程體系支撐關系圖

3 螺紋加工工藝分析教學過程

螺紋的教學過程設計圍繞OBE 工程教育認證的能力導向進行，教學目的是讓學生掌握螺紋的結(jié)構(gòu)、螺紋的加工工藝、螺紋數(shù)控車削程序的編寫。教學設計以M24 典型連接螺紋為工程案例，以螺紋旋合的五要素（牙型、公稱直徑、線數(shù)、導程和旋向）作為出發(fā)點，結(jié)合課程體系內(nèi)關于螺紋的知識點，分析螺紋的工藝參數(shù)，讓學生能夠系統(tǒng)建立完整的螺紋知識，掌握螺紋設計和加工的關鍵知識點。

3.1 螺紋結(jié)構(gòu)尺寸分析

結(jié)合機械制圖、機械設計和機械原理的知識，回顧和分析M24 典型連接螺紋的畫法、螺紋的結(jié)構(gòu)及其相關尺寸，具體相關內(nèi)容見表1。

表1 M24 螺紋的畫法、結(jié)構(gòu)及尺寸

3.2 螺紋加工進刀方式對比

根據(jù)螺紋的結(jié)構(gòu)形狀，分析螺紋在加工成型過程中，刀具的進刀方式。

螺紋在加工過程中有兩種進刀方式，直進法進刀和斜進法進刀，具體進刀方向如圖2。不同的數(shù)控螺紋車削指令的進刀方式不同，在數(shù)控車削程序中G32、G33、G34、G92 采用直進法進刀，數(shù)控車削程序G76 采用斜進法進刀；根據(jù)M24 的螺紋特點，本案例教學中采用G76 方式完成螺紋的加工，其進刀路線必須與刀具的角度60°一致。

圖2 螺紋刀直進法進刀和斜進法進刀

3.3 螺紋加工的加速段和減速段

結(jié)合機床刀具的運動特性和機械制造技術的相關知識，分析刀具在運動過程中的具體情況，講解處理刀具運動中加速段和加速段存在的原因和處理方法。

數(shù)控車床刀具在運動過程中存在啟動時的加速和停止時的減速，在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，螺紋刀具在運動加速段和減速段會引起螺紋亂牙，導致加工的螺紋無法正常進行旋合，因此在螺紋加工前必須完成螺紋刀具的加速，加工到螺紋規(guī)定的長度后必須保留螺紋刀具的減速，具體螺紋加、減速預留段如圖3。

圖3 螺紋加工加、減速段

3.4 螺紋加工背吃刀量的選擇

結(jié)合機械制造中關于切削力產(chǎn)生的原因，加工先粗后精的加工順序，分析螺紋加工過程中，背吃刀量大小產(chǎn)生的切削力對螺紋加工的影響，由此分析螺紋加工對背吃刀量的處理方法[1]。

圖4 G76 螺紋加工走刀路線及背吃刀量

3.5 螺紋粗精加工的必要性

結(jié)合機械原理、機械設計和機械制造基礎的相關知識，分析螺紋的結(jié)構(gòu)特點，找出螺紋順利旋合需要處理的問題，并和學生探討得到處理問題的方法。

在螺紋加工過程中，由于螺紋加工后是60°的銳角，導致一次螺紋精加工后，容易出現(xiàn)毛刺，且螺牙在粗加工中存在一定的變形，需要對螺牙進行修正，因此螺紋加工的精加工一般情況下需要多次完成，即螺紋加工精加工的切削量需要多次切削完成。在G76數(shù)控車削程序中，設定精加工次數(shù)將精加工余量進行等分，采用多次精加工的方式去除毛刺，并修正螺紋的牙型，以保證加工完成的螺紋可以實現(xiàn)順利的旋合。

4 螺紋加工數(shù)控程序教學過程

通過對相關專業(yè)知識中螺紋特點、結(jié)構(gòu)和加工工藝的回顧性教學，明確螺紋數(shù)控加工的特點、工藝參數(shù)、注意事項；分析選擇的數(shù)控車削程序?qū)崿F(xiàn)相應工藝參數(shù)的方法。通過對螺紋加工指令G76 的格式分析，讓學生理解上述加工內(nèi)容在數(shù)控車削程序中的實現(xiàn)方法，并掌握數(shù)控車削程序的編寫[2]。

本次實例的M24 螺紋采用G76 螺紋切削指令完成螺紋的加工，多重螺紋切削循環(huán)G76 的指令格式為：

螺紋相關參數(shù)定義對應的螺紋加工工藝參數(shù)：

P（m）：螺紋精車次數(shù)，在螺紋精車時，每次的進給的切削量等于螺紋精車的切削量d除以精車次數(shù)m，對應分析講解螺紋加工工藝中需要多次精加工去除螺紋毛刺并修正螺紋牙型。

P（r）：螺紋退尾長度，實際長度為0.1×L（L為螺紋螺距），對應分析講解螺紋刀逐漸退出加工。

P（a）：相鄰兩牙螺紋的夾角，對應分析講解斜進刀方式的進刀角度；

Qmax：第一次螺紋切削深度，對應分析講解螺紋第一刀切削背吃刀量；

R（d）：螺紋精車的切削量，對應分析講解預留給精加工的余量；

X（U）：螺紋終點X軸絕對坐標，對應分析講解螺紋加工的小徑；

Z（W）：螺紋終點Z軸的絕對坐標值，對應分析講解螺紋加工的加速段和減速段；

R（i）：螺紋錐度，螺紋起點與螺紋終點X軸絕對坐標的差值，對應分析錐螺紋加工的直徑差；

P（k）：螺紋牙高，螺紋總切削深度，對應分析講解螺紋牙高和總吃刀量；

Qmin：螺紋粗車時的最小切削量，對應分析講解螺紋加工背吃刀量逐次遞進；

F：公制螺紋螺距，對應分析講解螺紋導程對車床主軸旋轉(zhuǎn)和刀具沿軸線運動的關系[3]；

根據(jù)上述M24X3 螺紋加工工藝分析和多重螺紋切削循環(huán)G76 的指令格式要求，本次實例的螺紋加工程序如下：

5 利用斯沃數(shù)控系統(tǒng)進行仿真加工

將上述程序在南京斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)中驗證程序的正確性，其走刀路線如圖5，經(jīng)過觀察期走刀路線符合理論分析，模擬仿真結(jié)果如圖6，加工結(jié)果符合實際情況。由此可見，針對普通連接螺紋M24 的數(shù)控加工工藝分析和數(shù)控加工符合實際工程要求。

圖5 斯沃數(shù)控仿真系統(tǒng)走刀路線

圖6 斯沃數(shù)控仿真加工結(jié)果

6 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)OBE 工程教育認證的要求，以普通連接螺紋M24 的加工為本次實例教學的學習目標，從螺紋加工五要素出發(fā)，分析螺紋加工的數(shù)控加工工藝，并根據(jù)加工工藝要求選擇加工參數(shù)和數(shù)控指令，然后完成課程知識點典型結(jié)構(gòu)的數(shù)控程序編程，分析加工工藝參數(shù)在數(shù)控程序中的體現(xiàn)，最后利用斯沃數(shù)控仿真驗證程序的正確性，完成整個知識點的案例教學。整個教學過程設計滿足工程教育認證的結(jié)果、能力導向，注重過程的講解，充分結(jié)合相關專業(yè)知識，采用現(xiàn)代教學手段完成教學過程。