新工科背景下車削基礎(chǔ)的教學(xué)實踐

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，實踐教學(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，金工實習(xí)/工程訓(xùn)練作為新工科實踐教學(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)基本項目的學(xué)時會相應(yīng)地進行縮短，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踐教學(xué)。車削加工作為機械加工中最基礎(chǔ)的工藝，在工程訓(xùn)練實踐教學(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，如何改進車削基礎(chǔ)項目的教學(xué)方式和內(nèi)容，以提升該項目實踐教學(xué)的質(zhì)量，更好地融入新工科實踐教學(xué)的建設(shè)。

2 課程教學(xué)目標(biāo)

車削基礎(chǔ)作為金工實習(xí)/工程訓(xùn)練課程中最傳統(tǒng)和基礎(chǔ)的項目，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習(xí)最重要的幾個項目之一，常常占據(jù)整整3～5天的實訓(xùn)時間。隨著工業(yè)科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)金工實習(xí)的課程體系（金工實習(xí)全稱為金屬工藝學(xué)實習(xí)）已經(jīng)無法適應(yīng)新時代的需要，因此越來越多機電結(jié)合，智能化的課程內(nèi)容逐漸加入進來，金工實習(xí)課程也逐漸改為工程訓(xùn)練。因為總的工程訓(xùn)練課時沒有變化，所以傳統(tǒng)金屬加工項目的課時就會被縮短。

傳統(tǒng)車削基礎(chǔ)教學(xué)時，注重學(xué)生操作熟練度的培養(yǎng)，因為在數(shù)天或一周的時間內(nèi)，是有可能對有限的幾種操作達到相對熟練的程度。但在課時縮短的情況下，這種教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)無法達成。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)項目的教學(xué)目標(biāo)更適合定位為車削加工的入門認知課，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，在注意安全的前提下，可以直觀地觀看整個車削的過程以及車床中各組件的運動。

3 課程設(shè)計思路

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)從而達到一定熟練度，轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^普通車床設(shè)備的各個組件和加工過程的觀察與操作，對車削加工以及相關(guān)的設(shè)備知識有直觀的認知，而不是書本上抽象的講解。同時，將普通車床的操作與數(shù)控車床的知識相關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生對數(shù)控車床的知識和使用能融會貫通。

4 課程教學(xué)實踐要點

4.1 安全放首位

盡管此項目的實訓(xùn)課時縮短了，但安全相關(guān)的培訓(xùn)不能打折扣。因為絕大多數(shù)上課學(xué)生以前并未接觸過機械加工，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，所以此項目是機械加工所有教學(xué)項目中最容易發(fā)生安全事故的。

除了進入實驗室前的總的安全緒論課外，進入實驗室后，任課老師還需要專門再向?qū)W生強調(diào)普通車床設(shè)備特有的危險源，同時檢查學(xué)生的著裝。對于初次接觸機加工的學(xué)生，要在短時間內(nèi)記住所有的安全規(guī)程和操作細節(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，同時他們的操作也分段進行，這樣既可以減輕他們短時間內(nèi)學(xué)習(xí)的壓力，同時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，練習(xí)車床上各個部件的操作。如果省去空車練習(xí)直接讓學(xué)生自己進行車削加工，大多數(shù)學(xué)生會手忙腳亂，增大了安全風(fēng)險；也有部分學(xué)生在初看到卡盤高速旋轉(zhuǎn)起來時會害怕，需要一個熟悉和適應(yīng)的過程，同時，在這個練習(xí)過程中，老師也能觀察學(xué)生還有哪些操作沒有到位，哪些安全事項沒有注意到，可進行查漏補缺，所以空車練習(xí)必不可少。

在老師進行完車削的演示，學(xué)生要開始第一次獨立操作前，需要給他們看1～2個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)中針對我國禁售的光刻機。在媒體的各種報道下，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目教學(xué)中是非常必要的。

針對本項目，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，因為那上面印著我國在1955年8月自主設(shè)計研發(fā)生產(chǎn)的第一臺普通臥式車床C620-1，當(dāng)時該車床的各項精度達到世界領(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。

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”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，借此鼓勵學(xué)生以后投身科技制造業(yè)，為突破國外的各項技術(shù)封鎖貢獻自己的力量。

4.3 使用3D打印制作教具

傳統(tǒng)加工項目中，習(xí)慣用實物作為教具，但是金屬實物（比如三爪卡盤）價格高，準備多套成本過高；實物重量大且內(nèi)部為了潤滑與防銹涂有機油，若想讓學(xué)生了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，拆卸時，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)置了增材制造實驗室，里面有大量的3D打印機可供使用。任課老師可利用中心內(nèi)的3D打印機實現(xiàn)低成本的教具制作，可根據(jù)上課人數(shù)自行準備教具數(shù)量，降低了教學(xué)成本。同時因為重量輕和零件上沒有機油，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行打印，這樣可以極大地提高學(xué)生的興趣，同時學(xué)生通過裝配各部分了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)動作原理時也會更加清晰易懂，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。其實在有限的教學(xué)時間內(nèi)，相比重復(fù)練習(xí)軸的外圓車削，讓學(xué)生體驗使用尾座來加工零件更為重要。因為在學(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，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)加入進來，讓學(xué)生對車削加工有完整的認知，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，在短課時的教學(xué)中，使用中心鉆打孔的教學(xué)更為合適。因為打完中心孔后，可以馬上取下尾座套筒內(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)生操作時更加連貫，印象深刻，節(jié)省了教學(xué)時間。

4.5 聯(lián)系數(shù)控車床

數(shù)控車床編程時，涉及的知識點相對較繁雜，而其中很多內(nèi)容其實和普通車床有關(guān)聯(lián)，所以在普通車床教學(xué)時，跟數(shù)控車床有聯(lián)系的部分可以提前進行簡單介紹，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給量時，普通車床的進給量是通過進給箱上的手柄來調(diào)節(jié)的，但是同樣的手柄位置，在主軸轉(zhuǎn)速不同時，實現(xiàn)的走刀速度是不同的，因為普通車床的進給箱是靠上方的主軸箱齒輪驅(qū)動的，所以走刀速度和主軸轉(zhuǎn)速掛鉤。這時可以提示學(xué)生：在使用數(shù)控車床時，進給量的設(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)進給G99，一種是和主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)的每分鐘進給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驅(qū)動電機，進給箱要依靠主軸箱傳遞動力，而數(shù)控車床除了主軸電機，還有X軸的進給電機和Z軸的進給電機，因此進給方向的速度可以獨立設(shè)置而不依賴主軸箱。而且數(shù)控車床因為有電機直接驅(qū)動，所以簡化了普通車床進給系統(tǒng)里大量的齒輪傳動機械機構(gòu)，提高了傳動效率。

在學(xué)生計算吃刀深度時，有部分學(xué)生常會忘記將直徑的差值除以2才是車刀應(yīng)該前進的距離。這時可以提示學(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)都會自動計算吃刀深度，避免自己計算時可能產(chǎn)生的錯誤。這樣學(xué)生就會對數(shù)控系統(tǒng)的作用有更直觀的感受。

在學(xué)生進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，同時可以進一步介紹數(shù)控車床的各個切削指令，實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，降低了對操作者熟練度和手感的要求，同時也提高了加工的效率。經(jīng)過這樣的講解，學(xué)生之后進行數(shù)控車床編程學(xué)習(xí)時，就能更容易理解編程操作手冊里的各個車削指令，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)項目的教學(xué)方式和內(nèi)容亟需調(diào)整，同時需要始終把安全擺在首位，在實操前和實操進行中都不斷強化學(xué)生的安全意識，并將思政元素和教學(xué)背景知識進行有機融合，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和強化學(xué)生對制造強國戰(zhàn)略的認識。在教學(xué)實踐中，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)知識點與數(shù)控車床的聯(lián)系，可以讓學(xué)生對車削加工有更全面和直觀的認知，為以后數(shù)控車床的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。經(jīng)過改進后的車削基礎(chǔ)項目將能更好地融入目前的金工實習(xí)/工程訓(xùn)練的實踐教學(xué)體系，更有助于新工科高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。