特種加工綜合項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)探索

郭東軍，王建波，張竹青，肖龍雪，朱益民

（南通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 南通 226019）

機(jī)械制造尤其是先進(jìn)制造技術(shù)已向著高精度、高效率方向發(fā)展，高技術(shù)產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)形狀愈加復(fù)雜，對(duì)材料性能的要求越來越高，進(jìn)而對(duì)特殊性能材料的加工提出了更高的要求，在特殊材料、復(fù)雜造型、高精度表面、低剛性工件及模具制造等領(lǐng)域中，特種加工已成為關(guān)鍵加工方法[1-2]。國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，沒有先進(jìn)的特種加工技術(shù)，現(xiàn)代高性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品就難以制造和生產(chǎn)，國內(nèi)外對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用給予了高度重視。

特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)對(duì)高校工科學(xué)生的實(shí)踐技能和工程能力培養(yǎng)尤為重要，是工程訓(xùn)練中的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠了解除傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法以外的多種特種加工方法，使學(xué)生可以了解機(jī)械制造領(lǐng)域的新技術(shù)與新發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生特種加工基本技能和工程應(yīng)用能力，鍛煉學(xué)生分析和解決問題的能力[3-4]。因著特種加工在先進(jìn)制造技術(shù)中的重要地位，在高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)中特種加工的建設(shè)理應(yīng)受到重視。

1 特種加工方法簡介

特種加工是指直接利用電能、熱能、聲能、光能、化學(xué)能、特殊機(jī)械能等能量去除或增加材料從而加工出產(chǎn)品的工藝方法，也叫非傳統(tǒng)加工。常用的特種加工方法主要有電火花加工、超聲加工、電子束和離子束加工、激光加工、快速成型、電化學(xué)加工等方法[5-6]。

電火花加工是指在兩電極之間持續(xù)發(fā)生脈沖性火花放電產(chǎn)生的局部、瞬時(shí)高溫蝕除掉金屬材料的加工方法[7]。電火花加工的工件和工具電極分別連接脈沖電源的正負(fù)極，兩電極狹小間隙間添加工作液，通電后極間介質(zhì)發(fā)生電離、擊穿形成放電通道，介質(zhì)產(chǎn)生熱分解，電極材料熔化、氣化產(chǎn)生熱膨脹，電極材料拋出，極間介質(zhì)消電離，加工中不斷重復(fù)著上述過程。電火花加工方法主要有電火花線切割加工、電火花成型加工、電火花高速小孔加工、電火花刻蝕等[8]。

激光加工是利用激光束發(fā)出的能量經(jīng)過透鏡聚焦后引起熱效應(yīng)達(dá)到很高的能量密度快速作用在物體上實(shí)現(xiàn)加工的，與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光加工材料浪費(fèi)少、速度快、零件變形小、可加工對(duì)象廣泛。激光加工包括激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光內(nèi)雕、激光鉆孔和微加工等方法[9]。

快速成形技術(shù)是由CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱，簡稱RP技術(shù)，習(xí)慣上也稱為3D 打印技術(shù)。快速成型的工作原理可簡單歸納為“分層制造、逐層疊加”。快速成型包含光固化成型、疊層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型等技術(shù)[10]。

2 特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 特種加工在工程訓(xùn)練中的作用

特種加工實(shí)踐教學(xué)能為學(xué)生營造一個(gè)接近于企業(yè)實(shí)際的工程環(huán)境，讓學(xué)生了解特種加工方法與工藝，掌握一定的工程基礎(chǔ)知識(shí)和操作技能，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、社會(huì)責(zé)任感、團(tuán)隊(duì)精神、產(chǎn)品質(zhì)量與安全意識(shí)等。能夠促進(jìn)學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和協(xié)同工作能力的發(fā)展[11-12]。學(xué)生從中了解行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握相關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)和加工方式，為其工程素質(zhì)和工程能力的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

2.2 課程現(xiàn)狀及存在問題

2.2.1 涉及的特種加工方法較少、實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足

特種加工作為工程訓(xùn)練的一個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊，大多高校通常只開設(shè)電火花線切割加工，然而特種加工常用的方法有很多，只開設(shè)一種特種加工方法不能滿足工程訓(xùn)練課程的教學(xué)要求，不能體現(xiàn)特種加工在先進(jìn)制造中的重要性，不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)制造新工藝新方法的愿望，不能較好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。因此，特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)涵蓋3～4 種常用方法為宜。

特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要的設(shè)備品種多、價(jià)格昂貴，而大多院校經(jīng)費(fèi)有限，能夠用在工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)教學(xué)甚至特種加工上的經(jīng)費(fèi)少之又少。目前大多院校只配備了電火花線切割機(jī)床，實(shí)踐教學(xué)設(shè)備臺(tái)/套數(shù)缺乏。因此學(xué)生缺乏實(shí)際操作機(jī)會(huì)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解不透，動(dòng)手能力得不到鍛煉，學(xué)習(xí)興趣難以提高。

2.2.2 教學(xué)內(nèi)容不合理，教材選用不合適

現(xiàn)有特種加工教學(xué)看重學(xué)生編程、畫圖及動(dòng)手操作，但對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝分析及工程意識(shí)等能力培養(yǎng)在教學(xué)中體現(xiàn)不足。

學(xué)生的學(xué)習(xí)離不開教材，特種加工相關(guān)的教材很多，但針對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)安排與工程訓(xùn)練課程實(shí)際很難選到合適的指導(dǎo)教材，不利于學(xué)生課前預(yù)習(xí)及老師教學(xué)指導(dǎo)。

2.2.3 特種加工教學(xué)方法單調(diào)，學(xué)時(shí)數(shù)少

傳統(tǒng)特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要是教師課堂講授理論知識(shí)，在車間講授與演示機(jī)床操作，然后學(xué)生在機(jī)床上進(jìn)行練習(xí)，或在電腦上畫出簡單的輪廓圖形，再利用機(jī)床加工出來。教學(xué)方法較為單一，不能有效培養(yǎng)學(xué)生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)等工程素養(yǎng)。

現(xiàn)有工程訓(xùn)練的特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)長一般為8個(gè)學(xué)時(shí)，在一天內(nèi)完成。倘若涉及多種特種加工方法，如理論講授和操作演示時(shí)間過多，學(xué)生作品設(shè)計(jì)與動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間就會(huì)不足；反之，也會(huì)不盡人意，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。因此，有必要增加特種加工實(shí)踐課程的課時(shí)。

2.2.4 特種加工學(xué)生作品脫離工程實(shí)際背景

學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)完成的訓(xùn)練內(nèi)容一般以作品的形式呈現(xiàn)，通過對(duì)教學(xué)作品的合理設(shè)計(jì)與加工，養(yǎng)成工程能力與意識(shí)。以往的特種加工教學(xué)雖然也運(yùn)用了項(xiàng)目化教學(xué)，但學(xué)生的作品僅為一些小工藝品，學(xué)生更多地關(guān)注作品的美觀性，對(duì)其加工工藝、結(jié)構(gòu)、精度、表面質(zhì)量及零件間裝配等問題缺乏考慮與鍛煉。

3 特種加工綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)

若要特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)達(dá)到理想的教學(xué)效果，應(yīng)當(dāng)增加多種特種加工方法，加大對(duì)特種加工硬件教學(xué)環(huán)境建設(shè)的投入力度，增加機(jī)床的臺(tái)/套數(shù)，延長特種加工實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的時(shí)長。傳統(tǒng)的特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)一般只有電火花線切割機(jī)床，線切割加工對(duì)工件厚度幾乎無要求，但效率低、耗工時(shí)的特點(diǎn)大大限制了作品的產(chǎn)出。目前多數(shù)高校也開設(shè)了激光加工的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，激光切割機(jī)床對(duì)工件的厚度有嚴(yán)格的限制，但加工效率高、省時(shí)。3D 打印能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變零件的加工，不需要制作模具就可以實(shí)現(xiàn)材料的成型。綜上可知，電火花線切割和激光切割在工件厚度和加工時(shí)效上能夠互補(bǔ)，結(jié)合3 D 打印技術(shù)優(yōu)勢，將多種特種加工方法揉和在一起，對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容合理設(shè)計(jì)，充分利用項(xiàng)目化教學(xué)方法，開發(fā)有特色、有效果的特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合項(xiàng)目，有效實(shí)現(xiàn)特種加工實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)。

3.1 教學(xué)目的及要求

特種加工的教學(xué)目的是了解特種加工技術(shù)在機(jī)械制造中的地位與重要性；了解特種加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)與工作原理；熟悉特種加工機(jī)床的操作和基本加工工藝過程；能選用合適的特種加工方法加工零件；能對(duì)綜合作品進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、加工與裝調(diào)。

在教學(xué)中，特種加工綜合作品的設(shè)計(jì)及工藝編排是重點(diǎn)，如何根據(jù)作品零件結(jié)構(gòu)與工藝特性，選擇合適的加工方法和零件的裝配調(diào)試是實(shí)現(xiàn)特種加工高效加工的關(guān)鍵問題。

3.2 教學(xué)資源與準(zhǔn)備

我校工訓(xùn)中心現(xiàn)有快走絲電火花線切割機(jī)床、3D打印機(jī)、電火花高速小孔加工機(jī)、激光切割機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、其他傳統(tǒng)加工機(jī)床及輔助工具等特種加工設(shè)備，機(jī)床性能良好，滿足特種加工綜合項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)的需求。

學(xué)生應(yīng)自主設(shè)計(jì)作品，加工出零件，零件間能夠?qū)崿F(xiàn)配合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，能夠組裝成有創(chuàng)意的裝配體或三維作品。為了使學(xué)生能夠快速地進(jìn)入項(xiàng)目中，教師應(yīng)該提供一些實(shí)訓(xùn)教學(xué)作品模型，供學(xué)生參考而獲得創(chuàng)作靈感，如機(jī)械手爪、行星輪機(jī)構(gòu)、簡易機(jī)械機(jī)構(gòu)等，如圖1 所示。此外，完成特種加工綜合作品的制作，學(xué)生除了要學(xué)習(xí)特種加工基本知識(shí)和機(jī)床的操作技能之外，還應(yīng)具備簡單的二維/三維制圖識(shí)圖能力和常見機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理與設(shè)計(jì)方法，如果這些內(nèi)容學(xué)生還未學(xué)習(xí)，教師可以在項(xiàng)目實(shí)施前向?qū)W生作簡單的介紹。

圖1 綜合項(xiàng)目創(chuàng)意模型

3.3 綜合項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

3.3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本實(shí)訓(xùn)模塊是讓學(xué)生在熟悉多種特種加工方法的工作原理與工藝知識(shí)和操作電火花線切割、激光切割、3D 打印等常用特種加工設(shè)備的基礎(chǔ)上，能夠選用合適的特種加工方法制定零件的加工工藝，并將傳統(tǒng)加工方法作為輔助手段協(xié)調(diào)運(yùn)用，進(jìn)行綜合產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其零部件的制作。為了高效地完成實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，在教學(xué)設(shè)計(jì)上應(yīng)將理論知識(shí)、操作技能與職業(yè)道德有機(jī)結(jié)合。項(xiàng)目化教學(xué)法尤其適用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)，教學(xué)項(xiàng)目出自工程實(shí)際，學(xué)生能夠身臨其境地感悟?qū)嶋H工程中遇到的問題，增強(qiáng)解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)習(xí)積極性、工程素養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

3.3.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

特種加工的實(shí)訓(xùn)教學(xué)可分模塊分任務(wù)進(jìn)行，如表1所示，整個(gè)特種加工分為特種加工基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)床操作訓(xùn)練和項(xiàng)目訓(xùn)練3 個(gè)模塊，每個(gè)模塊包括若干個(gè)任務(wù)。特種加工基礎(chǔ)知識(shí)包含4 個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)中又包含若干個(gè)知識(shí)點(diǎn)，教師對(duì)各個(gè)任務(wù)花費(fèi)15～20 min的時(shí)間講解，教師通過講授和問題探討的方式，結(jié)合課件及視頻等資源，使學(xué)生對(duì)特種加工基礎(chǔ)知識(shí)有一定的了解和認(rèn)識(shí)。需要操作的特種加工機(jī)床包括電火花線切割機(jī)床、激光切割機(jī)床、3D 打印機(jī)，還有其他設(shè)備如電火花小孔加工機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)等。有些設(shè)備操作簡單，如3D 打印、小孔加工，有些設(shè)備操作稍復(fù)雜，如激光加工等，教師應(yīng)適當(dāng)安排約2.5 學(xué)時(shí)的時(shí)間講演與示范操作。學(xué)生可分批次對(duì)機(jī)床的操作進(jìn)行練習(xí)，教師要特別強(qiáng)調(diào)各機(jī)床的安全操作規(guī)程，使學(xué)生養(yǎng)成必要的安全意識(shí)與工程規(guī)范。

表1 特種加工實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及任務(wù)分解表

3.3.3 項(xiàng)目實(shí)施過程

特種加工實(shí)訓(xùn)綜合項(xiàng)目是在以往線切割實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上整合其他特種加工方法開發(fā)而來，綜合項(xiàng)目由教師與學(xué)生共同實(shí)施，其流程如圖2 所示。在項(xiàng)目的執(zhí)行過程中，各小組學(xué)生在組長帶領(lǐng)下分工協(xié)作、積極探討、共同提高，成為整個(gè)教學(xué)活動(dòng)的“主角”。教師則成為“配角”，為各項(xiàng)目小組提供技術(shù)支持與后勤保障，并根據(jù)項(xiàng)目開展過程中的共性和個(gè)性問題，靈活多樣地采用課堂講解、專題討論、個(gè)別指導(dǎo)等教學(xué)形式加以解決。教師要加強(qiáng)巡視，及時(shí)提醒學(xué)生注意安全事項(xiàng)與項(xiàng)目進(jìn)度，指導(dǎo)學(xué)生操作規(guī)范、裝夾方式以及工藝參數(shù)選擇等，教師應(yīng)發(fā)揮項(xiàng)目進(jìn)程中的主導(dǎo)作用，學(xué)生要展現(xiàn)學(xué)習(xí)中的主體地位。

圖2 特種加工綜合項(xiàng)目實(shí)施流程圖

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，學(xué)生分成若干小組，組內(nèi)討論相互提高，邊學(xué)邊練邊做地開展、完成項(xiàng)目。在保質(zhì)、保量完成任務(wù)的前提下，鼓勵(lì)學(xué)生組間競賽，在作品質(zhì)量和進(jìn)度上一決高下，有意識(shí)地鍛煉學(xué)生的質(zhì)量觀和時(shí)間觀，培養(yǎng)學(xué)生全面思考的思維意識(shí)，真正達(dá)成 “保質(zhì)、保量、高效完成任務(wù)” 的目標(biāo)。

3.4 實(shí)訓(xùn)效果

通過特種加工綜合項(xiàng)目的實(shí)施，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)于設(shè)備、量具、計(jì)算機(jī)、制圖軟件等方面的操作與應(yīng)用技能，學(xué)生增強(qiáng)了動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。不像傳統(tǒng)切削加工那樣操作繁瑣、工藝復(fù)雜，特種加工不需要學(xué)生掌握復(fù)雜工藝知識(shí)，也不受專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備的限制，簡單易學(xué)，容易上手，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造力，利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐精神和創(chuàng)新意識(shí)。

通過特種加工綜合項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生認(rèn)識(shí)了機(jī)械制造的一般過程。學(xué)生經(jīng)歷了方案探討、功能分析、圖形設(shè)計(jì)、工藝分析、零件加工、裝配與調(diào)試等產(chǎn)品制作的基本過程，初步了解了工程項(xiàng)目的一般方法。綜合項(xiàng)目來自工程實(shí)際，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)特種加工技術(shù)基本理論的理解，提高了學(xué)生分析與解決工程實(shí)際問題的能力，使其對(duì)安全、質(zhì)量、責(zé)任、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、環(huán)保、成本等基本工程要素有了更深的認(rèn)識(shí)，提高了工程意識(shí)。教學(xué)實(shí)踐中部分學(xué)生作品如圖3 所示。

圖3 學(xué)生作品賞析

4 結(jié)語

文中所涉及的有關(guān)特種加工綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，是在長期實(shí)踐教學(xué)中分析總結(jié)所得，在實(shí)際教學(xué)中取得了一定的教學(xué)效果，產(chǎn)生了很多優(yōu)秀的學(xué)生作品。今后仍需要在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中不斷地實(shí)踐、總結(jié)，持續(xù)改進(jìn)與補(bǔ)充，從而獲取更適合工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)教學(xué)的特種加工項(xiàng)目方案。特種加工綜合項(xiàng)目的開發(fā)可以為其他實(shí)訓(xùn)課程開展綜合項(xiàng)目教學(xué)提供借鑒。工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)在高素質(zhì)綜合型人才的培養(yǎng)過程中發(fā)揮更大的作用，創(chuàng)辦出高校自己獨(dú)特的工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)教學(xué)特色，助推高校的新工科建設(shè)。