新工科背景下車削基礎(chǔ)的教學(xué)實(shí)踐

鄧睿，胡繼華，葛德俊，黃建亮

（中山大學(xué)航空航天學(xué)院，廣東 深圳 518000）

1 前言

隨著我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化的陸續(xù)展開，工科教育正經(jīng)歷深刻的變革。隨著產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，實(shí)踐教學(xué)也需作出相應(yīng)的改變。目前我國產(chǎn)業(yè)正在向智能化發(fā)展，金工實(shí)習(xí)/工程訓(xùn)練作為新工科實(shí)踐教學(xué)中的重要手段，也加入了越來越多智能化和信息化的內(nèi)容，車、銑、鉗和磨等傳統(tǒng)基本項(xiàng)目的學(xué)時(shí)會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行縮短，因此，以前傳統(tǒng)的以鍛煉熟練度為目的的教學(xué)方式將不再適用于現(xiàn)今新工科背景下的實(shí)踐教學(xué)。車削加工作為機(jī)械加工中最基礎(chǔ)的工藝，在工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)中擁有不可或缺的重要性，因此，如何在新的背景下改進(jìn)原有的教學(xué)方法和模式是亟待解決的問題。本文介紹了在新工科背景下，如何改進(jìn)車削基礎(chǔ)項(xiàng)目的教學(xué)方式和內(nèi)容，以提升該項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，更好地融入新工科實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)。

2 課程教學(xué)目標(biāo)

車削基礎(chǔ)作為金工實(shí)習(xí)/工程訓(xùn)練課程中最傳統(tǒng)和基礎(chǔ)的項(xiàng)目，一般以普通車床作為教學(xué)設(shè)備，所以這門課在很多高校也被稱為普通車床。早年這門課是金工實(shí)習(xí)最重要的幾個(gè)項(xiàng)目之一，常常占據(jù)整整3～5天的實(shí)訓(xùn)時(shí)間。隨著工業(yè)科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)的課程體系（金工實(shí)習(xí)全稱為金屬工藝學(xué)實(shí)習(xí)）已經(jīng)無法適應(yīng)新時(shí)代的需要，因此越來越多機(jī)電結(jié)合，智能化的課程內(nèi)容逐漸加入進(jìn)來，金工實(shí)習(xí)課程也逐漸改為工程訓(xùn)練。因?yàn)榭偟墓こ逃?xùn)練課時(shí)沒有變化，所以傳統(tǒng)金屬加工項(xiàng)目的課時(shí)就會(huì)被縮短。

傳統(tǒng)車削基礎(chǔ)教學(xué)時(shí)，注重學(xué)生操作熟練度的培養(yǎng)，因?yàn)樵跀?shù)天或一周的時(shí)間內(nèi)，是有可能對(duì)有限的幾種操作達(dá)到相對(duì)熟練的程度。但在課時(shí)縮短的情況下，這種教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)無法達(dá)成。如果設(shè)定過高的加工精度要求，反而有可能讓剛接觸車床的學(xué)生產(chǎn)生焦慮和挫敗，在過大的心理壓力中造成安全事故。因此，目前車削基礎(chǔ)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)更適合定位為車削加工的入門認(rèn)知課，為數(shù)控車床的學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。數(shù)控車床加工零件時(shí)安全門需要關(guān)閉，學(xué)生無法近距離觀看，而在操作普通車床時(shí)，在注意安全的前提下，可以直觀地觀看整個(gè)車削的過程以及車床中各組件的運(yùn)動(dòng)。

3 課程設(shè)計(jì)思路

在新的教學(xué)目標(biāo)下，教學(xué)思路要從普通車床操作的反復(fù)練習(xí)從而達(dá)到一定熟練度，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^普通車床設(shè)備的各個(gè)組件和加工過程的觀察與操作，對(duì)車削加工以及相關(guān)的設(shè)備知識(shí)有直觀的認(rèn)知，而不是書本上抽象的講解。同時(shí)，將普通車床的操作與數(shù)控車床的知識(shí)相關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生對(duì)數(shù)控車床的知識(shí)和使用能融會(huì)貫通。

4 課程教學(xué)實(shí)踐要點(diǎn)

4.1 安全放首位

盡管此項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)課時(shí)縮短了，但安全相關(guān)的培訓(xùn)不能打折扣。因?yàn)榻^大多數(shù)上課學(xué)生以前并未接觸過機(jī)械加工，容易有初生牛犢不怕虎的心態(tài)，而且普通車床設(shè)備的高速旋轉(zhuǎn)部分和加工部分都暴露在外，加工過程中操作者又要近距離觀察，所以此項(xiàng)目是機(jī)械加工所有教學(xué)項(xiàng)目中最容易發(fā)生安全事故的。

除了進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前的總的安全緒論課外，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，任課老師還需要專門再向?qū)W生強(qiáng)調(diào)普通車床設(shè)備特有的危險(xiǎn)源，同時(shí)檢查學(xué)生的著裝。對(duì)于初次接觸機(jī)加工的學(xué)生，要在短時(shí)間內(nèi)記住所有的安全規(guī)程和操作細(xì)節(jié)非常困難，所以不能一次性講解過多的內(nèi)容，而是要分段演示，同時(shí)他們的操作也分段進(jìn)行，這樣既可以減輕他們短時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)的壓力，同時(shí)也降低了操作疲勞累積的可能。

在學(xué)生正式開始加工操作前，要進(jìn)行空車練習(xí)，即裝夾上工件后先不車削，而是開啟主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，練習(xí)車床上各個(gè)部件的操作。如果省去空車練習(xí)直接讓學(xué)生自己進(jìn)行車削加工，大多數(shù)學(xué)生會(huì)手忙腳亂，增大了安全風(fēng)險(xiǎn)；也有部分學(xué)生在初看到卡盤高速旋轉(zhuǎn)起來時(shí)會(huì)害怕，需要一個(gè)熟悉和適應(yīng)的過程，同時(shí)，在這個(gè)練習(xí)過程中，老師也能觀察學(xué)生還有哪些操作沒有到位，哪些安全事項(xiàng)沒有注意到，可進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，所以空車練習(xí)必不可少。

在老師進(jìn)行完車削的演示，學(xué)生要開始第一次獨(dú)立操作前，需要給他們看1～2個(gè)簡短的車床安全事故視頻，再次敲響他們腦海中安全的警鐘。

4.2 融入思政元素

目前，在加工制造領(lǐng)域，高端設(shè)備的領(lǐng)先地位很多被國外品牌把持，比如，近幾年貿(mào)易戰(zhàn)中針對(duì)我國禁售的光刻機(jī)。在媒體的各種報(bào)道下，容易讓學(xué)生產(chǎn)生國外技術(shù)全面優(yōu)于我們的心理，影響了學(xué)生投身科技制造行業(yè)的熱情，不利于我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的高素質(zhì)人才培養(yǎng)，因此將思政元素融入加工項(xiàng)目教學(xué)中是非常必要的。

針對(duì)本項(xiàng)目，思政元素的引入可以從向?qū)W生展示第三套人民幣的2元面值紙幣開始，因?yàn)槟巧厦嬗≈覈?955年8月自主設(shè)計(jì)研發(fā)生產(chǎn)的第一臺(tái)普通臥式車床C620-1，當(dāng)時(shí)該車床的各項(xiàng)精度達(dá)到世界領(lǐng)先水平，得到了各行各業(yè)的廣泛采用，為我新中國的工業(yè)發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

由于車床是最傳統(tǒng)的加工設(shè)備，為了避免同學(xué)產(chǎn)生車削技術(shù)已經(jīng)“過時(shí)”了的想法，可以介紹我國車削技術(shù)頂尖的一些大國工匠，比如龍小平。正是他們用車削技術(shù)制造出了超高精度的零件，才讓我國在很多領(lǐng)域的高精尖設(shè)備得以順利使用，不再被國外卡脖子，借此鼓勵(lì)學(xué)生以后投身科技制造業(yè)，為突破國外的各項(xiàng)技術(shù)封鎖貢獻(xiàn)自己的力量。

4.3 使用3D打印制作教具

傳統(tǒng)加工項(xiàng)目中，習(xí)慣用實(shí)物作為教具，但是金屬實(shí)物（比如三爪卡盤）價(jià)格高，準(zhǔn)備多套成本過高；實(shí)物重量大且內(nèi)部為了潤滑與防銹涂有機(jī)油，若想讓學(xué)生了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，拆卸時(shí)，沾上滿手油污也影響了他們的學(xué)習(xí)積極性。

目前3D打印技術(shù)大量普及，各高校的工訓(xùn)中心基本都設(shè)置了增材制造實(shí)驗(yàn)室，里面有大量的3D打印機(jī)可供使用。任課老師可利用中心內(nèi)的3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)低成本的教具制作，可根據(jù)上課人數(shù)自行準(zhǔn)備教具數(shù)量，降低了教學(xué)成本。同時(shí)因?yàn)橹亓枯p和零件上沒有機(jī)油，所以學(xué)生更樂于把玩這樣的教具，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)效率得到提高。

3D打印的耗材顏色多種多樣，不同功能或不同種類的零部件可使用不同顏色的耗材進(jìn)行打印，這樣可以極大地提高學(xué)生的興趣，同時(shí)學(xué)生通過裝配各部分了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理時(shí)也會(huì)更加清晰易懂，如圖1。

圖1 三爪卡盤的3D打印教具

4.4 加入尾座教學(xué)

在縮短課時(shí)后，部分高校的普通車床教學(xué)中省去了尾座教學(xué)的部分。其實(shí)在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，相比重復(fù)練習(xí)軸的外圓車削，讓學(xué)生體驗(yàn)使用尾座來加工零件更為重要。因?yàn)樵趯W(xué)生以后的科研加工或?qū)嶋H生產(chǎn)加工中，高精度的零件絕大部分會(huì)通過數(shù)控車床來完成，而不管是普通車床還是數(shù)控車床，在加工較長的零件或是給零件端面打孔時(shí)，都要用到尾座，所以在車削基礎(chǔ)的教學(xué)中，要盡可能地把尾座教學(xué)加入進(jìn)來，讓學(xué)生對(duì)車削加工有完整的認(rèn)知，而不是局限于單一的重復(fù)操作。

尾座教學(xué)包含使用鉆頭給工件打孔和使用頂尖輔助固定工件。打孔可以使用麻花鉆打孔或者使用中心鉆打中心孔，在短課時(shí)的教學(xué)中，使用中心鉆打孔的教學(xué)更為合適。因?yàn)榇蛲曛行目缀螅梢择R上取下尾座套筒內(nèi)的鉆夾套，直接更換頂尖，無縫銜接頂尖使用的教學(xué)，學(xué)生操作時(shí)更加連貫，印象深刻，節(jié)省了教學(xué)時(shí)間。

4.5 聯(lián)系數(shù)控車床

數(shù)控車床編程時(shí)，涉及的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)較繁雜，而其中很多內(nèi)容其實(shí)和普通車床有關(guān)聯(lián)，所以在普通車床教學(xué)時(shí)，跟數(shù)控車床有聯(lián)系的部分可以提前進(jìn)行簡單介紹，非常有利于后期學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)控車床。

在講到車削三要素進(jìn)給量時(shí)，普通車床的進(jìn)給量是通過進(jìn)給箱上的手柄來調(diào)節(jié)的，但是同樣的手柄位置，在主軸轉(zhuǎn)速不同時(shí)，實(shí)現(xiàn)的走刀速度是不同的，因?yàn)槠胀ㄜ嚧驳倪M(jìn)給箱是靠上方的主軸箱齒輪驅(qū)動(dòng)的，所以走刀速度和主軸轉(zhuǎn)速掛鉤。這時(shí)可以提示學(xué)生：在使用數(shù)控車床時(shí)，進(jìn)給量的設(shè)置可以有兩種，一種是和普通車床一樣與主軸轉(zhuǎn)速掛鉤的每轉(zhuǎn)進(jìn)給G99，一種是和主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)的每分鐘進(jìn)給G98（以廣州數(shù)控980系統(tǒng)為例，下同）。造成這種差異的原因是普通車床只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)給箱要依靠主軸箱傳遞動(dòng)力，而數(shù)控車床除了主軸電機(jī)，還有X軸的進(jìn)給電機(jī)和Z軸的進(jìn)給電機(jī)，因此進(jìn)給方向的速度可以獨(dú)立設(shè)置而不依賴主軸箱。而且數(shù)控車床因?yàn)橛须姍C(jī)直接驅(qū)動(dòng)，所以簡化了普通車床進(jìn)給系統(tǒng)里大量的齒輪傳動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率。

在學(xué)生計(jì)算吃刀深度時(shí)，有部分學(xué)生常會(huì)忘記將直徑的差值除以2才是車刀應(yīng)該前進(jìn)的距離。這時(shí)可以提示學(xué)生，在數(shù)控車床編程中，不論是設(shè)定成直徑方式編程還是半徑方式編程，數(shù)控系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)計(jì)算吃刀深度，避免自己計(jì)算時(shí)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤。這樣學(xué)生就會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的作用有更直觀的感受。

在學(xué)生進(jìn)行了零件軸向的多次車削操作后，可以提示學(xué)生，這就是數(shù)控車床編程中的軸向車削循環(huán)G90，同時(shí)可以進(jìn)一步介紹數(shù)控車床的各個(gè)切削指令，實(shí)際就是普通車床各種加工方式的總結(jié)，并且提供了更靈活和精確的控制，降低了對(duì)操作者熟練度和手感的要求，同時(shí)也提高了加工的效率。經(jīng)過這樣的講解，學(xué)生之后進(jìn)行數(shù)控車床編程學(xué)習(xí)時(shí)，就能更容易理解編程操作手冊(cè)里的各個(gè)車削指令，將其跟車削工藝聯(lián)系起來，而不是單純的編程代碼。

5 結(jié)語

在新工科背景下，傳統(tǒng)車削基礎(chǔ)項(xiàng)目的教學(xué)方式和內(nèi)容亟需調(diào)整，同時(shí)需要始終把安全擺在首位，在實(shí)操前和實(shí)操進(jìn)行中都不斷強(qiáng)化學(xué)生的安全意識(shí)，并將思政元素和教學(xué)背景知識(shí)進(jìn)行有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和強(qiáng)化學(xué)生對(duì)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)實(shí)踐中，引入3D打印制作教具的方式可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣；加入尾座部分的教學(xué)和相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與數(shù)控車床的聯(lián)系，可以讓學(xué)生對(duì)車削加工有更全面和直觀的認(rèn)知，為以后數(shù)控車床的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。經(jīng)過改進(jìn)后的車削基礎(chǔ)項(xiàng)目將能更好地融入目前的金工實(shí)習(xí)/工程訓(xùn)練的實(shí)踐教學(xué)體系，更有助于新工科高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。