面向“新工科”的機械微加工KAPI一體化訓練研究與實踐

黃根哲，于化東，許金凱，于占江

（長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022）

1 機械微加工KAPI 一體化項目的提出背景

“新工科”[l-2]理念不僅代表互聯網和工業智能為核心意義上的“工科的新”，而且代表著傳統工科專業交叉發展起來的“新的工科”。在“新工科”理念下誕生的機械微加工技術，是隨著人們對許多工業產品的功能集成化和外形小型化的需求，得到了迅猛的發展，其特點是零部件尺寸日趨微小化，其功能是實現宏觀機械無法完成的微小尺度下的功能。目前，這些微小零件的特征尺寸為 1～10 mm（介觀）以及 1～1 000 μm（微觀）。

在“新工科”理念下，一般本科院校機械類專業是以培養基礎知識扎實、實踐能力強，具有良好的思想品德和人文科學素養，有較強的創新意識、組織協調能力和團隊精神，能在機械設計制造及其自動化領域從事設計制造、科技開發、應用研究等方面工作的復合型高級工程技術人才為目標[3-7]。因此，現代機械工程師勝任一線工作的基本條件是需要具備材料學、材料成型工藝、機械制造工藝學科等綜合性知識以及解決多學科融合的工程復雜問題能力。但目前這些學科知識和能力培養的課程體系由不同行政單位的學院在不同學期獨立開設，由此產生了理論教學與實驗實習銜接不緊密、課程體系不完整、知識實踐與能力培養缺少深度融合、知識難以轉化成能力、實踐教學條件不平衡等問題，造成學生缺乏系統的產品設計、制造的知識結構和能力結構[8-10]，傳統課程設置存在的問題如圖1 所示。

為此，提出了具有微加工特色，建立了交叉材料學、材料成型工藝、機械制造工藝學科KAPI 一體化的機械微加工訓練項目，即“知識（knowledge）、能力（ability）、實踐（practice）、創新（innovation）”一體化培養項目，部分地替代原工程材料與機械制造基礎（金工）課程學習與機械制造實習（工訓）兩個環節。項目設計將“知識、能力、實踐、創新”融為一體，訓練時間為5～6 周。KAPI 一體化訓練項目的目的是通過厘清工程實踐教學的內涵和認知規律，使學生能夠獲得完整的產品制造知識，得到實踐動手能力的鍛煉，并通過工程訓練實現知識向多種能力和素質的轉化。

2 機械微加工KAPI 一體化項目的基本要求

在實訓教師指導下，通過自主學習掌握金屬切削過程中的4 大基本規律，建立機械微加工技術及產品的基本概念，了解先進的機械微加工技術及其應用范圍，并借此理解微加工及其產品的機械制造過程，包括結構設計、材料選用、材料成形、材料改性、機械微加工工藝、安裝調試等完整的產品制造技術，使學生學會編制工藝卡片，掌握使用數控車、數控銑、車工、銑工、鉗工、材料鑄造、熱處理、各類常規工具和量具的選用等技能。KAPI 一體化項目的理論指導采用世界著名微制造專家Muammer Koc 主編的《微制造—微型產品的設計與制造》一書為基本的理論教材，要求學生對機械微加工過程中材料去除機理有較全面的了解，具有選擇和應用不同機械微加工工藝的基本能力，能夠通過相關微加工過程仿真工具，實現對機械微加工過程進行計算、預測以及工藝規劃；要求學生了解機械微加工工藝技術理論和方法的最新發展趨勢，進而培養學生在相關技術領域從事機械微加工工作和研究的能力；要求學生能夠應用數學、力學、外語、計算機、自然科學和機械工程科學的基本原理，并通過文獻分析，對機械微加工工藝過程中的復雜實際問題進行總結、表達、分析，并提出解決問題的具體措施；還要求學生能夠就機械微加工中的復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告、完成設計說明書、陳述發言，并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通與交流[11-13]。

3 機械微加工 KAPI 一體化項目訓練軟硬件條件

我校精密制造及檢測技術國家地方聯合工程實驗室長期從事微納加工技術，針對國家重大工程項目需求，設計制造了雙刀縱向微切削數控機床（見圖 2）和平面溝槽微銑削數控機床（見圖3），并相繼開發了相關在位檢測技術、補償技術、激光輔助微車削技術等，其技術發明程度高，均有自主知識產權，主要技術指標與國內外同類產品相比具有較大優勢。這些技術在一定的程度上改善了機械微加工 KAPI 一體化項目訓練的軟硬件條件，有效地培養了學生的機械微加工的實際能力。

圖2 雙刀縱向微切削數控機床

圖3 平面溝槽微銑削數控機床

4 機械微加工KAPI 一體化項目訓練創新性

4.1 加工工藝創新

針對單刀切削弱剛度、細長桿零件時的“讓刀”現象，發明了雙刀對稱縱向切削方法并研制了雙刀、縱切的微型數控車削機床。通過雙刀對稱布置，使徑向“背分力”完全抵消，實現了弱剛度大長徑比軸類零件的超精密加工（見圖4）。另外，采用了機床主運動和進給運動一體化設計技術，并且基于 CCD 視覺精密測量及圖像處理技術實現了雙刀中心高精確對刀（見圖5）。加工工藝創新為機械微加工KAPI 一體化項目的訓練提供了比較有效的實踐條件。

圖4 雙刀對稱縱向切削消除徑向背分力

圖5 基于CCD 視覺精密測量及圖像處理技術的對刀界面

4.2 加工方法創新

針對高硬度、高脆性、難加工材料，通過激光照射，改善了難加工材料的塑性和韌性，從而改善了加工性能，實現了碳化硅、鈦合金等難加工材料棒材的復雜三維微小零件的精密微車削。激光輔助微車削難加工材料如圖6 所示。加工方法的創新也為機械微加工KAPI 一體化項目的訓練提供了較好的保障。

圖6 激光輔助微車削難加工材料

5 機械微加工KAPI 一體化項目實訓成果形式

5.1 微加工產品

通過機械微加工KAPI 一體化項目實訓，實習學生能夠完成以下微加工產品。

（1）長徑比大于10∶1 無氧銅軸的微車削。建立微車削工藝路徑，編制微車削加工程序，并對加工后的微細軸進行微觀尺度測量，即利用光學顯微鏡對軸徑、軸長、彎曲度進行測量計算。微車削加工工藝參數為：毛坯直徑8 mm，長200 mm，主軸轉速2×104r/min，進給 0.1 mm/s，切削厚度 5～20 μm。

（2）7075 鋁合金表面溝槽的微銑削。建立工藝路徑，編制微溝槽銑削程序，并利用光學顯微鏡對加工后的微溝槽進行溝槽寬度、深度、表面形貌測量。微加工溝槽尺寸參數為：寬100 μm，深度30 μm。微銑削加工參數：主軸轉速1×104r/min，進給0.3 mm/s，銑削厚度 5～20 μm。

5.2 微加工總結報告和測試報告

利用微車削車床和銑床，對金屬材料進行微車削、微銑削加工，確定最佳加工參數，編制加工程序，并要求實習學生完成如下報告。

（1）總結報告。介紹產品涉及的主要知識點、實踐訓練環節、創新點、核心知識獲取及能力達成情況、收獲及感悟。

（2）測試報告。測定加工后無氧銅軸的直徑和長度，確定其加工精度、圓柱度、直線度，評定微細軸的表面粗糙度。

6 學生機械微加工 KAPI 一體化項目訓練后的產品展示

通過KAPI 一體化項目訓練，學生有了明確的學習目標，圍繞如何加工出高徑比更大、加工的軸更微細、加工的溝槽更窄這一要求，學生不斷拓展知識空間和能力空間。例如，為了進行微細軸加工，學生不僅學習使用傳統碳化鎢（WC）硬質合金刀具的加工原理，而且為了達到微米直徑軸類和溝槽加工，需要通過對微切削和微銑削機理的研究，開發出單晶體的微納米級的金剛石單晶刀具。這就要求學生通過學習材料學的不同晶面、不同晶向的軟硬取向，懂得典型晶體結構中不同晶面的耐磨性差異，從而選擇不同的晶面和晶向作為微車刀的前刀面、后刀面、側刀面以及主切削刃、副切削刃，實現工程材料學知識、機械加工知識、解決工程復雜問題能力以及創新為一體的KAPI 項目學習和訓練。此外，在一般情況下，宏觀加工時機床電機引起的振動對加工精度和表面光潔度的影響在微米級，因此基本能夠滿足精度和光潔度的要求。但是在以納米尺度要求的微小零件加工過程中，因其加工精度和表面光潔度與加工尺度基本在一個數量級上，所以在機械微加工時必須考慮微小機床振動對加工精度和表面光潔度的影響。這就要求學生掌握振動的產生機理、振動傳播和阻尼的影響規律。因此，要求學生具有物理學、金屬學基礎知識，并通過知識、能力、實踐和創新的一體化培養過程，掌握振動對微納加工的影響。

圖7 為學生通過機械微加工KAPI 一體化項目訓練后加工出的微細軸，其軸的長度為 950.95 μm，軸的頂端直徑為127.08 μm，軸的根部直徑為127.04 μm，實現了微細軸的加工。圖 8 為學生通過機械微加工KAPI 一體化項目訓練后加工出的7075 鋁合金微細溝槽，其溝槽深度為50 μm，寬度為200 μm，實現了微細槽的加工。

圖7 學生加工出的微細軸

圖8 學生加工出的7075 鋁合金微細溝槽

7 結語

微切削和微銑削過程與傳統加工不同，當微切削和微銑削刃的鈍圓半徑接近切削厚度時，尺寸效應越來越明顯，切屑形狀上多以崩碎狀切屑為主。微細軸類加工0.2 mm 直徑以下的軸類時，肉眼已不能很好地辨認軸的加工狀態，這時就需要選用機床自帶的可視化對刀加工監控軟件，檢查、確認當前軸的加工尺寸。因此，微車削或微銑削的訓練過程能夠集學生的材料學知識、毛坯成形工藝、微加工過程于一身，對其知識、能力、實踐、創新綜合培養起到積極作用。通過機械微加工KAPI 一體化綜合訓練過程，有效促進了學生將所學知識向能力轉化。