3D打印在機械制造綜合實踐教學中的應用

劉利劍 周京博 秦志英

摘要：機械制造綜合訓練實踐教學有益于學生深入理解機械制造工藝過程，鍛煉動手能力，提升綜合素質。針對殼體零件制造存在的制模困難、周期長、成本高的問題，將3D打印技術應用于殼體模型的制作，使學生既掌握了先進的3D打印技術，又掌握了殼體的制造工藝。本文給出了實踐教學的內容設計，介紹了教學的實施和課程的考核方式，并對教學效果進行了分析。實踐教學鍛煉了學生獨立完成復雜零件機械加工的能力，培養了團隊協作精神，取得了良好的教學效果，為在機械制造綜合實踐教學中引入3D打印技術提供了借鑒。

關鍵詞：機械制造；3D打印；減速器殼體；實踐教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0103-02

機械制造是與工程實踐緊密聯系的一門課程?，F在機械制造實踐教學多以軸、法蘭等單個簡單零件的加工作為訓練內容，難以組成一個具有完整功能的產品，不能充分調動學生參與的積極性。完整產品通常都需要有殼體零件，并由其將產品中的其他有關零件連接成一個整體，完成彼此的功能。殼體零件具有形狀復雜、有精度要求較高的孔和面等特點，讓學生加工殼體零件，可以使其更加深刻地體會基準的選擇、零件的定位、夾緊等機械制造課程中的核心內容，綜合性也較強。但殼體零件的制造通常需要制作復雜的模具，導致周期長、成本高，難以在實踐教學中廣泛推廣。

3D打印是一種先進的制造技術，并且正在逐步被引入到三維建模、模型制作、模具設計等教學活動中，并取得了良好的教學效果。將3D打印技術引入機械制造綜合實踐教學過程中，既可以使學生掌握3D打印的基本方法，也可以在此基礎上完成殼體后續的機械加工工藝，提升機械制造綜合訓練的效果，對培養大學生的工程意識、創新意識、創新思維和創新能力起著重要作用。

一、綜合實踐教學的基本內容

機械制造綜合實踐是在修完機械制圖、金屬工藝學、計算機輔助設計、互換性與測量、機械制造技術基礎、機械制造裝備設計等課程后進行的一次以產品制造為目標的綜合性實戰訓練。其圍繞齒輪減速器殼體的制造展開，其主要內容如下：掌握編制殼體零件機械制造工藝規程；選擇和調整加工機床、刀具、夾具；按照圖紙上的技術要求使用數控機床加工出合格零件；使用激光快速成型機制作蠟模，并學習熔模鑄造的工藝；使用三坐標測量機進行零件的形位精度測量；完成上下殼體的裝配；等等，從而使學生全面地參與到產品的整個生產過程中，真正理解“機械制造”的含義。

二、教學過程的實施

1.殼體蠟模的3D打印與修整。用激光選區燒結技術SLS（Selected Laser Sintering）進行殼體的3D打印，既解決了零件生產的快速性問題，也激發了學生的興趣和創新思維。學生先用三維軟件進行殼體造型，再進行鑄造收縮率的縮放，然后用MAGICS軟件對模型進行切片處理，最后在3D打印機上進行快速成型。對打印完畢的蠟模，需要首先檢查有無缺陷，重要尺寸是否合格，如果沒有問題再對模型進行修模，內容包括：（1）用刀片削掉飛邊或分模線，對小飛邊也可直接用布擦除；（2）蠟模上有大而狹長的凹處應用修補蠟修復；（3）蠟模上若有氣泡必須挑破，用修補蠟修復。

2.殼體的鑄造及機械加工。3D打印得到的蠟模經過修整與拋光處理后即可進行熔模精密鑄造，得到殼體的鑄件。整個過程不過2—3周的時間，鑄件精度可達±0.3mm，能完全滿足減速器殼體的精度要求。更關鍵的是在殼體鑄造過程中引入3D打印技術，節約了寶貴的課時，降低了殼體毛坯的制造成本。學生在設計三維造型時，可以創造性的在任何部位寫上自己的名字或其他標記，以區別于其他人的作品，提高了學生參與的積極性。

對殼體零件毛坯進行機械加工可使學生更加深入地體會機械制造的工藝過程，主要內容包括：（1）審核零件圖；（2）編制零件加工工藝過程卡；（3）編制零件主要工序的工序卡；（4）審核工藝過程卡及工序卡；（5）學習數控加工機床的程序編制；（6）夾具設計及定位誤差分析；（7）完成減速器箱體的加工；（8）完成重要尺寸公差和形位公差的檢驗，填寫關鍵零件關鍵尺寸的檢測報告。在完成上述工作的過程中，使學生對整個機械制造工藝過程有了更加深刻的理解，動手能力得到了充分的鍛煉。

3.組織方式及考核。建立小組式綜合實踐訓練模式，每個班以6—7人為單位分成若干小組，由各小組長負責工作計劃的綜合與協調，指導教師作為技術顧問和生產組織顧問并負責產品生產的實施及過程監控。實踐結束時，學生要完成齒輪減速器殼體的結題報告，包括：設計圖紙、說明書、生產項目任務分配表、工藝過程卡、工序卡、質量檢驗報告和進度總結報告。提供完整的減速器殼體成品，參加答辯。由指導教師組成答辯組評定成績，成績以百分制記分，考核內容包括：（1）零件的結構形式、幾何參數的合理性，圖紙質量；（2）通過答辯考核學生對設計方法的掌握程度，對設計理論的了解程度；（3）考核學生對工藝規程編制方法的理解以及編制工藝規程的能力；（4）檢查殼體零件是否符合設計要求，并考核制造過程中的具體工藝問題是如何解決的；（5）考核總結報告是否符合要求；（6）考核每一位學生所負責的工作內容按時間進度的執行情況。每一部分分別給分，最后以每一部分的分數之和作為綜合實踐成績。

三、實踐教學效果

齒輪減速器殼體的機械制造綜合訓練是一次理論聯系實際，深入了解設計概念和制造過程的實踐考驗，使學生鞏固、加深和擴展了機械制造技術方面的知識，提高了綜合素質。圖1（a）、圖1（b）為學生根據二維零件圖所畫的上下殼體的三維模型，這充分訓練了學生的三維建模能力；圖1（c）為采用3D打印得到的蠟模；圖1（d）為加工完成的殼體。在機械制造綜合訓練完成時，每個小組均獨立完成了一個減速器殼體的加工，將課本講述的機械制造方面的知識進行了一次全方位的實踐。

在整個項目的實施使學生掌握了3D打印的基本原理和方法，掌握了采用3D打印方法快速制造殼體模型的方法，掌握了機械加工工藝規程的制定，掌握了工件定位的基本原理和方法，掌握了機械加工零件質量的評價方法。通過小組式項目管理模式，既鍛煉了學生的溝通能力、協作能力和團隊精神，又鍛煉了學生設計與制造方面的實踐能力和創新能力。

四、結語

通過3D打印使殼體零件模型的制造成本得到了大幅的降低，同時保證了殼體毛坯的制造周期。在殼體毛坯到合格零件的加工過程，不僅使學生將課本知識與實際的制造過程很好地結合到了一起，加深了對各種加工設備的認識，而且運用了零件定位原理的相關知識，分析了保證加工精度的方法，提高了分析問題、解決問題的能力。在此過程中，還通過完成各種工藝文檔鍛煉了寫作能力。因此，基于3D打印的機械制造綜合實踐教學能對學生的綜合能力進行鍛煉和提高，是3D打印技術在機械制造綜合訓練實踐教學中的成功應用。

參考文獻：

[1]束奇，劉敬，崔運靜.3D打印技術在模型教學中的實踐初探[J].高教學刊，2016，（19）：145-146.

[2]張艷華.3D打印技術在模具設計教學中的實踐與探索[J].教育教學論壇，2016，（12）：146-147.