基于軸類零件的多種實驗訓練研究

繆玉桂 伍 龍 王福旺

為了適應高校轉型發展的需要，實現由學術型人才培養向應用技術型人才培養的轉變，建設成地方性應用型高水平大學，地方高校要進一步加強理論與專業實踐的結合，教學內容要與職業工作任務有機銜接，擴大工程案例（包括模擬工程項目）的實踐比重，使得學生在校期間能夠具備所學理論與專業實踐高度關聯的知識和專業技術應用能力。

目前，很多高校機械類專業都組織金工實習、快速成型等實驗實習，但是大多各自為戰，沒有很好地關聯起來。本文以同一個軸類零件，通過不同的實驗實習方法來提高學生綜合實踐能力。

1 軸類零件舉例及概括

筆者認為，基于軸類零件的多種實驗訓練研究可以歸結為“一個中心、四個創新訓練法”，即以一個實物零件為中心，綜合采用機械制圖訓練、普通車床訓練、數控訓練、3D打印訓練，圍繞這些完成實物的設計圖、數控加工程序的編寫及加工、3D打印和普車機械加工，形成一個系統的綜合訓練環節。通過這四個訓練法涉及的內容，傳統的普車加工技術可以與先進的數控技術、3D打印等有機結合起來，使學生經過這一環環相扣的創新訓練方法，獲得更加系統、高效的制造技術訓練。

這里以實物為中心，針對不同專業的學生，其有所不同，既可以是指一個零件，也可以是一個部件裝配體。根據學生所學專業不同，“實物”從簡單的一個零件，到較復雜的一個部件，從而循序漸進地鍛煉學生的綜合能力。如圖1所示，筆者選擇該軸類零件來構建整個訓練過程。

圖1 軸類零件二維圖紙

2 多種實驗實習訓練法

2.1 3D打印訓練法

學生在電腦上使用三維軟件將實物零件繪制出來（這里推薦使用SolidWorks或者UG8.0軟件）。接下來，將建好的圖形用3D打印機打印出來，其過程是：將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，打印機逐層打印[1]。

設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產生的三維文件掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。

此過程鍛煉了學生多方面的能力：一是三維軟件建模能力。這是現代工程師必備的能力，該鍛煉培養學生的空間想象能力和三維建模操作能力，可以為將來從事該行業打下堅實的基礎。二是初步掌握3D打印技術。通過零件的3D打印訓練，學生可以掌握其基本原理和實際操作技能，了解制造業新技術動態以及發展方向。

2.2 機械制圖訓練法

機械制圖訓練法是指將上面用三維軟件繪制好的軸類三維模型轉化成二維工程圖，現在的三維軟件可以轉化出二維工程圖，但使用自動標注，標注結果很不規范，也沒有公差，而機械設計的核心就是配合和公差。所以，機械制圖訓練可以很好地鍛煉學生用軟件繪圖和準確地標注公差配合的能力。

2.3 數控技術訓練法

這里的數控技術訓練法包括手工編程法和自動編程法兩種。

一是手工編程法。由學生把圖1對應的零件，手工編程并加工，達到三個效果：一是加深對數控基礎知識的理解；二是鍛煉數控手工編程的能力；三是培養學生對數控機床的實際操作能力。

二是自動編程法。對于復雜型面的加工，若需要三、四、五個坐標軸聯動加工，其坐標運動計算十分復雜，必須采用計算機輔助編程方法，即自動編程法。所以，學生必須學習和掌握計算機數控加工程序編制技能。

利用學生在“3D打印訓練法”環節中已經建立好的模型，高校可以采用美國Unigraphics Solution公司開發的一套集CAD、CAM、CAE功能于一體的三維參數化軟件（它是當今最先進的計算機輔助設計、分析和制造的高端軟件，用于航空、航天、汽車、輪船、通用機械和電子等工業領域），點擊“開始”按鈕，選擇下拉列表中的“加工”選項。

選用UG進行數控編程，此處相當于進入UG的一個模塊，這里很多知識需要學生反復練習，需要加工實驗操作才能真正掌握。

自動編程多用于加工復雜工件，前期準備時間長，需要用軟件建立模型，再設置刀具和毛坯等，其具有以下優點：由軟件生成，可信度高，數據準確，可加工用軟件模擬出來的任意可加工曲面[2]。該訓練過程有兩個好處：一是學會使用UG軟件進行數控編程的能力，掌握如何設置刀具、創建幾何體、進行后處理等能力；二是為進一步學習數控技術起到很好的實踐作用。

2.4 普通車床訓練法

對于圖1展示的零件圖，學生可以對著圖紙在普通車床上再加工一遍。此訓練法可以鍛煉學生的普通車床使用技術，對于同樣一張圖紙，學生可以用數控車床和普通車床來分別加工，然后比較兩種結果的差別，從而更加深刻地理解兩種機床（即兩種加工技術）的優缺點以及適用場合等特性。

3 試圖解決的針對性問題

目前，大多數工科院校都具有工程訓練中心，但在進行金工實習的過程中，各個工種呈現出“各自為戰”的局面。例如，鉗工工種讓學生加工一個小錘頭，數控加工工種可能讓學生加工一個軸，3D打印工種可能讓學生打印一個玩具。這些工種之間沒有互相聯系的紐帶，本文試圖解決這一問題，通過一個實物零件，將所有工種聯系在一起，進而提出“一個中心、四個創新訓練法”。學生通過比較不同工種加工出來的產品，能更好地了解各個工種，這可以說是對傳統訓練方法的一種改革嘗試。

本文的目標是適應學校轉型發展、建設成地方性應用型高水平大學的總體要求，培養出具有現代技術知識基礎的綜合型、創新型、高素質工程技術人才，培養學生的測繪能力、三維軟件建模能力、繪制工程圖能力、數控編程能力、機床實際操作能力等，使學生經過這一環環相扣的創新訓練方法，獲得更加系統、高效、高質量的制造技術訓練。

4 結語

本文研究了基于軸類零件的多種實驗訓練法，該項目集教學研究、實驗考核、多重綜合能力訓練于一體，將惠及廣大工科學生。其目的是最終提高學生的讀圖能力、繪圖能力、計算機三維建模初步能力、3D打印技術初步能力、數控技術編程和加工初步能力、普通車床操作初步能力，為廣大工科學生后續學習打下堅實基礎。

[1]張學軍.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[2]韓翔，劉義，余永健.UG工程系統應用與開發實例[M].北京：清華大學出版社，2008：26-27.