基于普銑與數(shù)控銑融合式工程訓(xùn)練教學(xué)方法研究

張余益，陳遠(yuǎn)洋，郭 巍，左 晶

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

機(jī)械制造實(shí)習(xí)是國內(nèi)理工科院校培養(yǎng)學(xué)生工程訓(xùn)練、工程素質(zhì)的必修課。學(xué)生通過金屬工藝學(xué)理論課和實(shí)踐課的學(xué)習(xí)了解工業(yè)制造的歷史、應(yīng)用與工藝。整個(gè)課程要通過一學(xué)期的理論課程加實(shí)踐并且通過最終的考核才能完成該課程，獲得成績與學(xué)分。在這一學(xué)期內(nèi)學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)到工業(yè)制造中的不同生產(chǎn)制造設(shè)備以及它們的制造工藝，并且在每種制造工藝環(huán)節(jié)都會(huì)收獲不同工種的知識(shí)與技能。經(jīng)過一學(xué)期的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐來提升對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)、工業(yè)制造等一系列有關(guān)工業(yè)發(fā)展的整體認(rèn)知，并間接地完成工程文化素質(zhì)的培養(yǎng)與提升。由于近幾年本科生課程越來越多，大部分課程學(xué)時(shí)也越來越被壓縮，很多課程都進(jìn)行了不同的調(diào)整和精煉，所以機(jī)械制造實(shí)習(xí)課程也進(jìn)行了相應(yīng)的改革。

1 現(xiàn)狀背景

近年來由于工業(yè)生產(chǎn)的多樣性和專一性導(dǎo)致機(jī)械制造實(shí)習(xí)課程也跟著演變成了單種技能的模塊化訓(xùn)練，甚至單種工藝的傳統(tǒng)制造和先進(jìn)制造也淪為很古板的模塊化。例如：普通車床、數(shù)控車床、普通銑床、數(shù)控銑床、3D 打印、工業(yè)機(jī)器人、無人機(jī)等一系列的小模塊課程相繼而出。在學(xué)生機(jī)械制造實(shí)習(xí)的思想小結(jié)中可以頻繁地看到不同學(xué)生提出的意見：課程內(nèi)容繁雜，工藝簡單，理論不系統(tǒng)等問題。為此很多院校又提出了多工種或跨工種的工程訓(xùn)練方式并且進(jìn)行了課改實(shí)驗(yàn)。這種跨工種、跨學(xué)科的工程訓(xùn)練模式確實(shí)提高了學(xué)生在工程訓(xùn)練中的綜合能力和工程素養(yǎng)，并且在首次課改完成后也獲得了大部分學(xué)生的認(rèn)可和點(diǎn)贊。但是跨工種的交叉融合式工程訓(xùn)練需要投入大量的人力、物力和財(cái)力來預(yù)先完成整個(gè)項(xiàng)目的師資培訓(xùn)和團(tuán)隊(duì)建設(shè)，并且在此期間無論哪個(gè)工藝環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)影響整個(gè)項(xiàng)目式教學(xué)進(jìn)度。對(duì)于剛剛接觸機(jī)械制造實(shí)習(xí)的學(xué)生來講，每個(gè)環(huán)節(jié)都存在著安全隱患，故此每個(gè)工藝單元都需配備有經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)人員進(jìn)行操作輔導(dǎo)并時(shí)刻保持警惕，防止出現(xiàn)任何安全問題。在經(jīng)過一年多的課改和總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)跨工種的交叉融合式工程訓(xùn)練課程并不適用于低年級(jí)的短時(shí)間金工實(shí)習(xí)，而是更適合高年級(jí)學(xué)生的綜合型訓(xùn)練課程。為了更好地培養(yǎng)低年級(jí)本科生對(duì)工業(yè)基礎(chǔ)認(rèn)知和素養(yǎng)的提升，決定回歸初心，先從單一工種著手，探索進(jìn)行單工種傳統(tǒng)制造與先進(jìn)制造融合式工程訓(xùn)練模式。

2 新課改構(gòu)想設(shè)計(jì)

面向單種工藝進(jìn)行全面工程訓(xùn)練，深度挖掘單種工藝生產(chǎn)方式與制造范圍，而后匹配工業(yè)產(chǎn)品或生活中的應(yīng)用型和輕奢型產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)與制造。

應(yīng)用型產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造具有一定的規(guī)范性和統(tǒng)一性，可使學(xué)生認(rèn)識(shí)到工業(yè)產(chǎn)品中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范及技術(shù)要求等，例如標(biāo)準(zhǔn)件的不同規(guī)格都有統(tǒng)一參數(shù)，非標(biāo)的特殊零件要基于標(biāo)準(zhǔn)件無法滿足技術(shù)要求的前提下進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

輕奢型產(chǎn)品注重設(shè)計(jì)的巧妙與外觀造型的美好。此類產(chǎn)品對(duì)于現(xiàn)如今的社會(huì)具有很大的消費(fèi)潛力和經(jīng)濟(jì)利益，并且在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方面占有的比重非常之大，例如3C 產(chǎn)品與首飾品對(duì)于外觀造型設(shè)計(jì)及制造工藝的要求極高，人們甚至愿意降低對(duì)產(chǎn)品性能的期望而盡可能滿足外觀造型的極致美觀。

應(yīng)用型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)與制造非常有利于本科生基礎(chǔ)性工程素養(yǎng)的提升。輕奢型產(chǎn)品可以極大地發(fā)揮本科生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，在滿足技術(shù)要求的前提下充分展示和發(fā)揮自己的想象力，使本科生的創(chuàng)新思維得到實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

但是想要極大的發(fā)揮單種工藝對(duì)整體工程訓(xùn)練的培養(yǎng)潛能并不是一件容易的事。它需要選擇適合單種工藝的目標(biāo)載體，更需要完成目標(biāo)載體過程的運(yùn)作模式，二者缺一不可。選擇適合單種工藝的目標(biāo)載體是決定單種工藝學(xué)習(xí)深度的關(guān)鍵因素之一，既要考慮單種工藝知識(shí)面的全面覆蓋性，又要在給定的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生完成目標(biāo)載體的設(shè)計(jì)與制造并且獲得該工藝的理論知識(shí)和技能。為此對(duì)近年來市面上具有創(chuàng)意并且能夠使用單種工藝生產(chǎn)完成的產(chǎn)品進(jìn)行搜集、分析、整理，最終將目標(biāo)載體暫定為Finger Spinner。

Finger Spinner 又名指尖陀螺，它是由一個(gè)雙向、多向的對(duì)稱體或等分體作為旋轉(zhuǎn)主體，在主體中嵌入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軸承的設(shè)計(jì)組合，上下裝配上對(duì)鎖端蓋作為旋轉(zhuǎn)支撐零件，最終由主體、軸承、對(duì)鎖等部件整體裝配構(gòu)成一個(gè)可在指尖旋轉(zhuǎn)的新型陀螺。在物理學(xué)上，陀螺是典型的用來描述物體動(dòng)態(tài)平衡的高精度模型，在只受重力的情況下幾乎只有陀螺可以保證動(dòng)平衡，所以它具有定軸性、進(jìn)動(dòng)性和陀螺效應(yīng)等物理特性。有關(guān)專家介紹，陀螺轉(zhuǎn)體動(dòng)作對(duì)于注意力不足癥和多動(dòng)癥患者培養(yǎng)注意力有很大的推動(dòng)效果，對(duì)于緩解精神壓力、戒除煙癮酒癮等非身理依賴性急癥也有一定的輔助作用，并且具有一定的趣味性。

由于指尖陀螺的特性和各零件的外觀造型都非常適合銑削加工工藝完成，所以選擇銑削工藝作為本次傳統(tǒng)制造與先進(jìn)制造融合式工程訓(xùn)練試點(diǎn)工種。依據(jù)清華大學(xué)工程訓(xùn)練中心機(jī)械制造實(shí)習(xí)課程3 學(xué)分的教學(xué)模塊，銑削工藝學(xué)習(xí)所分配到的課程時(shí)間為12 學(xué)時(shí)。在12 學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)生要學(xué)習(xí)銑削工藝知識(shí)技能，并且設(shè)計(jì)制造指尖陀螺。在整個(gè)過程中高校本科生要深入學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、傳統(tǒng)普通銑削工藝、先進(jìn)數(shù)字銑削工藝及其他輔助鉗工工藝。結(jié)合這些輔助工具和制造工藝進(jìn)行指尖陀螺的設(shè)計(jì)、制造、裝配和調(diào)試。

3 新課改規(guī)劃

本課程參考陀螺模型構(gòu)成要素來創(chuàng)建學(xué)生團(tuán)隊(duì)。陀螺模型由組織生命體（團(tuán)隊(duì)各角色）、機(jī)會(huì)威脅平面（內(nèi)外實(shí)際問題）、快速應(yīng)變能力軸（頭腦風(fēng)暴戰(zhàn)略群）、機(jī)制結(jié)構(gòu)環(huán)（管理制度）和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)力（完成目標(biāo)載體）5 個(gè)基本要素構(gòu)成，它們互相聯(lián)系，互為條件，互相作用，共同推動(dòng)組織生命體的動(dòng)態(tài)平衡發(fā)展。學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，經(jīng)過CAD、CAM、下料、普銑粗加工、數(shù)控銑精加工和裝配等環(huán)節(jié)完成該作品。

30 個(gè)學(xué)生劃分成6 個(gè)并行戰(zhàn)略組，每組5 名成員，每個(gè)并行戰(zhàn)略組以項(xiàng)目式的模式完成一套創(chuàng)意指尖陀螺的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造，按照角色劃分組員，并且承接不同角色承擔(dān)的任務(wù)。

3.1 各角色的分配及功能職責(zé)

本次實(shí)踐學(xué)習(xí)將5 名學(xué)員劃分為3 種角色，角色和人員分配分別為：工藝員1 名，CAD/CAM 工程師2 名，制造工程師2 名（表1）。

表1 角色和人員分配明細(xì)

其中，各角色功能職責(zé)如下：

（1）工藝員：主要負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)產(chǎn)品具體生產(chǎn)工藝，整合現(xiàn)有資源，利用現(xiàn)有的設(shè)備，以最合理，最有效，最經(jīng)濟(jì)的理念來安排產(chǎn)品生產(chǎn)工藝順序，并且制作產(chǎn)品生產(chǎn)過程工藝卡片。同時(shí)，作為戰(zhàn)略組的Team-leader，有必要掌握整個(gè)戰(zhàn)略組每一位成員的進(jìn)度情況和階段性心理思想活動(dòng)。以便更好的管理整個(gè)團(tuán)隊(duì)，在不發(fā)生任何意外的前提下，有效的完成本次課程內(nèi)容和任務(wù)安排。

（2）CAD/CAM 工程師：主要負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)產(chǎn)品的外觀造型設(shè)計(jì)，使用CAD/CAM 軟件完成產(chǎn)品造型的工程圖以及必要的數(shù)控程序；根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)產(chǎn)品造型和設(shè)定加工參數(shù)；并且要與制造工程師進(jìn)行產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的文檔交接和設(shè)計(jì)說明。

（3）制造工程師：主要學(xué)習(xí)普通銑床和數(shù)控銑床的基本操作，能夠按照工藝員工藝卡上的安排完成產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)制造；區(qū)分普通銑削工藝和數(shù)控銑削工藝，熟練掌握兩種制造工藝的基本原理和應(yīng)用方法；了解毛坯裝卡方式，刀具各類型號(hào)；與CAD/CAM工程師交流設(shè)計(jì)要求，獲取并上傳文檔程序；熟練掌握測量零件的幾種常用工具，如游標(biāo)卡尺，內(nèi)徑千分尺，高度尺等。

3.2 協(xié)同組的分配

每組的角色組成一個(gè)協(xié)同組，也就是由3 個(gè)角色組成3 個(gè)協(xié)同組（表2），協(xié)同組內(nèi)互為條件，相互作用共同協(xié)作完成各自承擔(dān)的任務(wù)。

表2 角色協(xié)同組明細(xì)

3.3 規(guī)劃的實(shí)施

課程時(shí)間安排見表3、表4。

表3 第一天的課程時(shí)間安排

表4 第二天的課程時(shí)間安排

教材及考核辦法如圖1、圖2 所示，制造工藝過程如圖3～圖8 所示。

4 結(jié)束語

普銑制造工藝與數(shù)控銑制造工藝融合式工程訓(xùn)練方法的主角始終是學(xué)生自己，學(xué)生能夠在老師指導(dǎo)下創(chuàng)建自己的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)合理的制造工藝。所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝過程、生產(chǎn)制造等過程都是由自己的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)協(xié)同完成，并且在先進(jìn)制造無需人力的過程中還可以進(jìn)行互為條件，互相傳授自己所學(xué)技能給戰(zhàn)略小組隊(duì)內(nèi)成員，使得知識(shí)收獲與掌握更為順暢。團(tuán)隊(duì)內(nèi)的同學(xué)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式集思廣益，各抒己見，民主投票，最終確定設(shè)計(jì)方案，意見達(dá)成統(tǒng)一。所有任務(wù)進(jìn)行明確分工，落實(shí)到每個(gè)學(xué)生身上，做到責(zé)任明確，增強(qiáng)學(xué)生的責(zé)任意識(shí)，團(tuán)隊(duì)角色的具體劃分，自身對(duì)團(tuán)隊(duì)的付出價(jià)值明顯提升，整體提升學(xué)生課堂參與度。

圖1 教材

圖2 考核辦法

圖3 造型設(shè)計(jì)

圖4 自動(dòng)編程

通過在本科生的機(jī)械制造實(shí)習(xí)課程中引入普銑制造工藝與數(shù)控銑制造工藝融合式的工程訓(xùn)練教學(xué)方法，使學(xué)生更系統(tǒng)的掌握產(chǎn)品的制造過程，提升學(xué)生對(duì)工程制造的系統(tǒng)認(rèn)知，可以大大提高學(xué)生的綜合工程應(yīng)用能力。

圖5 鋸床下料

圖6 普銑粗加工