淺談機械專業刀具結構教學改進方法

◆華成麗 梁棟

淺談機械專業刀具結構教學改進方法

◆華成麗 梁棟

針對刀具結構教學的困難，分析產生難點的原因，提出通過合理設計車刀結構展示教具、介紹刀具刃磨知識和利用信息技術輔助刀具結構認識的教學改進方法。

機械制造課程；刀具結構；刀具教學；信息技術

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.109

1　刀具結構教學背景及現狀

機械制造技術基礎課程是基于國家教育部“面向二十一世紀教學內容和課程體系改革”，按照新課程體系要求，將機械加工工藝基礎、金屬切削原理和刀具等課程合并成的一門專業主干課程［1］。其中，“金屬切削原理和刀具”部分主要介紹金屬切削的成型原理、刀具結構和切削條件的選擇，是該課程的一個重點和難點。當前，由于新課程體系對該部分內容有較大幅度精簡，相對于以往其知識體系不完整，給實際教學帶來一些困難。該部分由于刀具角度繁雜、參考平面及坐標 系較多，其空間關系結構多樣，致使學生普遍反映在某些概念的理解和掌握上存在一定的困難，缺乏空間想象力，并且教師基于現有條件也難以形象直觀地描繪出來，在測繪車刀結構相關實驗中學生實踐操作情況不理想，也間接地導致后續的切削條件選擇教學難以有效開展，嚴重影響本課程的整體教學效果。

機械制造技術教材多以車刀為例，講解刀具的參考系和幾何角度。通常從介紹基面Pr，切削平面Ps等參考系平面入手，基于參考系平面與切削刃的關系定義出所有刀具角度，最后再介紹角度轉換公式［2］。由于這部分概念多，幾何關系復雜，教材展示也不直觀，學生只能憑空想象，理解起來有困難。而部分職業學校的教學中，為了便于學生理解，將金屬切削刀具與生活中的切割工具作類比，來解釋刀具結構與幾何角度，雖然較為生動，但顯然理論論證不充分，語言過于啰嗦，并不適合工程師的培養［3-4］。

2　教學難點成因分析

針對刀具教學的困難，筆者通過長期教學體會以及與學生的交流探討，總結出以下幾點原因。

刀具幾何結構的相對復雜性 刀具是機械制造中用于切削加工的工具，它的設計與切削原理密不可分。刀具的結構是針對不同的加工材料，考慮刀頭應力、散熱、排屑、磨損等因素，綜合設計的產物。因此，刀具是一個相對復雜的多面體，其幾何參數將影響切削加工時的切削力和散熱，并深刻地影響機械加工工藝質量。

刀具的幾何結構建模方法，必須能有效體現刀具結構對切削過程的影響，建模方法較為特殊。以車刀為例，車刀的參考系主要有三種，即正交平面參考系、法平面參考系、假定工作平面—背平面參考系。3個參考系共計10個定義參考平面和2條切削刃，再由它們之間的空間關系定義18個刀具靜態角度，不同參考系的角度之間具有復雜的三角函數換算關系。

實際教學中，刀具參考面多、靜態角度多，學生易受不同參考系中類似的角度和參考面的影響而混淆相關內容。以后角為例，教材中介紹后角αo、副后角αo′、法后角αn、副法后角αn′等8個定義類似的角度，且它們的定義既有區別又有聯系。類似的還有前角，十分繁雜，記憶困難。不僅如此，參考平面之間通常不是垂直關系，由于切削方式不同，也時常發生位置變化，刀具切削部分又集中在一個較小的工作區域，僅憑空間想象和實物觀察，是難以將這些數量繁多、結構復雜的空間線面、面面關系清晰直觀地了解清楚的。

課程體系變化導致基礎不完備 刀具結構教學困難的根源，就是學生對刀具的建模和表達的理解混亂，這是工程圖學課程訓練不足導致的。相比以往的教學體系，大部分高校已取消機械類專業原畫法幾何課程，而工程圖學課程也進行了相應的簡化，因而學生對較復雜結構工件制圖和讀圖的能力有所退步。以車刀建模為例，刀具靜態角度無法用三視圖表達，需要用變換投影面法對不同參考平面進行投影，才能標注角度參數，這也是部分畫法幾何課程教材的示例和訓練題。而現在的學生沒有相關基礎，自然在教學中對刀具的工程圖表達十分茫然，無法讀出有效信息。在車刀角度測繪實驗中也不會通過換面法和正確剖切的手段，正確繪制出刀具的幾何形狀，自然實驗報告錯漏百出。

作者：華成麗，重慶大學城市科技學院電氣信息學院，研究方向為機械制造及自動化、齒輪幾何學設計等（402167）；梁棟，重慶大學機械傳動國家重點實驗室，研究方向為機械設計及理論、齒輪傳動研究等（400044）。

教材內容陳舊和缺乏工程實踐 機械制造技術基礎課程教材繁多，其主干內容也是由機械加工工藝基礎、金屬切削原理和刀具課程教材節選整合而來。圖1是教材中的常見配圖，展示了車刀正交平面和法平面參考系，但顯然只展示了參考系平面，至于刀具角度已經被參考面本身擋住，只能憑借想象，如此教材學生自然理解困難。學生實踐機會較少，對金屬切削加工和刀具缺乏認識，單獨從理論上去理解刀具結構和切削現象，既不直觀又很枯燥。以金工實習為例，機床的刀具已經由工人師傅刃磨好，直接可以供學生使用，學生沒有刀具成型過程的概念。刀具的刃磨是車削工藝的重中之重，作為未來的工程師，對此毫無了解，顯然是一個缺憾。

圖1　正交平面和法平面參考系

3　教學改進建議

針對刀具結構教學的難點，開展輔助刀具結構教學的教具研發和教改探索。在現行課程體系下，如何做到在有限的課時內讓學生對刀具結構有深刻認識？筆者認為主要需要以下幾個方面進行改進。

合理設計教具 相比于原金屬切削原理與刀具課程，現機械制造課程的課時和教材內容受到壓縮，而要掌握的主干知識卻并沒有減少。被精簡的內容也以輔助理解的工程背景為主，面對高度概括的教材，學生學習和教師教學的難度均有加大。因此，合理設計教具，將刀具繁雜的各基準平面、靜態角度和運動方向整合到教具上反映出來，讓學生能通過實物觀察，一目了然地了解各種定義概念，將是輔助教學的重要手段。

現在也有一些教具在使用，但反映的內容不全面，教學效果有限。如按照圖1指示制作的教具模型，僅能展示刀具邊框和基面、主切削平面、正交平面、法平面這四個參考面，繁多的刀具角度并無表現，而刀具角度恰是學習的難點。類似的教具均不直觀，角度仍然需要學生想象，輔助理解功能很差。

由于以上不足，設計了一套可拼插刀具教學模型。如圖2所示為正交平面參考系教具，根據刀具角度的刃磨成型原理，恢復了刀具被刃磨掉的部分，在刀具體上安裝前角—刃傾角塊、后角塊和副后角塊。以前角塊為例，前角塊的頂面剛好為刀具的基面Pr，底面即刀具的前面Ar，在正交平面上測量基面Pr和前面Ar的夾角，即為刀具的前角γo；前角塊的側面為刀具的主切削平面Ps，且前角塊的側面下端與主切削刃重合，在切削平面上測量基面Pr和主刃的夾角，即刀具的刃傾角λs，剛好被前角塊的側面表示。與此同理，主副后角塊展示了主副偏角及其形成平面。刀具體沿正交平面Po和副正交平面Po′剖開，做成可拆卸的三塊，這樣拆下刀尖部分，可以看到形成刀具靜態角度的剖面。另外，還特別用薄板制作了主副偏角κr、κr′等可以安裝在刀具體上，形成一個展示所有定義平面、所有角度和運動方向的完整體系。

圖2　正交平面參考系教具

介紹刀具刃磨知識輔助教學 由于刀具的角度是由刃磨而來，刃磨的工藝決定了刀具的幾何形狀。對于一般的硬質合金和高速鋼車刀，未刃磨前根據其切削種類不同，主副偏角均為標準值，而前角、刃傾角、主副后角均為零。粗磨時，先磨主后面，再磨副后面，最后磨前面［5］。粗磨的過程就是去除刀面多余材料，形成切削工作面，形成刀具角度的過程。刀具的前角、刃傾角、主副后角隨之產生，主副偏角也隨之做小范圍調整。而精磨的過程則是對角度進行小修，提高刀面刃磨質量，提高加工質量。

在課堂教學和刀具認識實踐中，簡要介紹刀具刃磨知識，播放簡短的刃磨視頻，甚至在工人師傅刃磨刀具時在旁邊觀察，都能有效加深學生對刀具結構的認識理解。通過這種刃磨知識的補充，刀具結構不再是干癟地定義平面和角度，而是生動動態的形成過程。該教學方法避免了以往教學中刀具結構概念不直觀、只能“意會”的窘境。

加強信息技術輔助教學的應用 隨著多媒體教室的普及，信息技術輔助教學在課堂中發揮著愈加重要的作用。在教學中展示相關視頻和三維動畫，利用仿真軟件模擬成型過程，均是良好的教學手段。可將上述教學內容拍成視頻，或制作三維仿真動畫，在課堂教學中播放。

4　結論

本文針對機械專業課程中刀具結構教學的困難，對產生教學難點的原因進行梳理，并提出有效解決刀具認識教學的改進建議。上述教學改進措施已經在重慶大學城市科技學院電氣信息學院工科機械基礎教學基地加以實踐，取得較好的教學效果。■

［1］劉英，袁績乾.機械制造技術基礎［M］.2版.北京：機械工業出版社，2008.

［2］李少珍.試談刀具切削部分幾何角度實驗教學方法的改革［J］.廣州大學學報：自然科學版，2002，1（3）：99-100.

［3］張宜厚.以車刀教學為例談“金屬切削原理與刀具”課程的教學方法［J］.職教通訊，2013（12）：66-67.

［4］趙亮.《機械加工技術》課程教學與實訓教學的結合［J］.學周刊，2015（7）：25.

［5］管文.機械制造課程車刀角度的講解技巧［J］.現代制造技術與裝備，2015（3）：98-99.

Teaching Improvement Method of Tool Structure for Mechanical Engineering//HUA Chengli， LIANG Dong

Aiming at the diffi culties in the teaching tool structure， the general reasons are analyzed. The teaching improvement methods including the display design of cutter structure， the introduction of tool grinding knowledge， and the cognition of tool structure using information technology are proposed.

mechanical manufacturing course； tool structure； tool teaching； information technology

G642.4

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1671-489X（2016）12-0109-03