TRIZ理論在“金屬切削原理與刀具”課程教學中的應用研究

田川，董歡歡

（陜西機電職業技術學院，陜西 寶雞 721001）

0 引言

“金屬切削原理與刀具”課程是高等院校機械類專業基礎課程之一，主要是學習金屬切削加工過程中主要物理現象的變化規律、控制與應用；常用金屬切削刀具的選擇、使用與常用非標準刀具的設計等內容[1]，是學好數控編程與加工技術、機械制造工藝學等其他機械制造專業核心課程的前提。由于“金屬切削原理與刀具”內容涉及面廣，切削變形、切削力、切削溫度等切削過程規律復雜，刀具幾何角度、構型設計等抽象，對于理論基礎和實踐經驗較為薄弱的在校學生來說，課程學習難度大，學生常常反映課程理論性強、學習內容枯燥乏味。TRIZ理論作為基于知識的面向人的綜合性問題解決理論，在分析問題及解決問題上具有突出優勢，被廣泛應用于工程技術、企業管理和人才培養等方面。通過將TRIZ理論的技術進化法則、物場分析、沖突矩陣、克服思維慣性等相關方法工具應用于“金屬切削原理與刀具”課程教學，提高了學生對于知識點的理解和掌握，在一定程度上攻破了課程教學難點。

1 “金屬切削原理與刀具”課程的教學難點

1.1 金屬切削原理知識較為復雜

金屬切削原理是指金屬切削過程中發生的一般物理現象及其規律，包括切削變形、切削力、切削溫度、刀具磨損等內容以及相關要素如切削用量、刀具幾何角度對它們的影響，知識范圍涉及工程材料、工程力學、金屬熱處理、數理分析等。因此其知識較為復雜，對于學生系統性理解知識點要求較高[2，3]。

1.2 刀具結構設計知識較為抽象

刀具作為金屬切削過程中與工件直接接觸的工具，直接影響切削質量的好壞。典型的車刀包括“三面兩刃一刀尖”（前刀面、后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖）主體部分，同時部分刀具還根據切削實際需要，設計了卷屑槽、過渡刃等特殊結構，這些讓刀具結構知識變得復雜。此外刀具幾何角度的形成、變化以及對切削的影響等知識立體性強、動態性強、較為抽象，需要培養學生建立良好的空間思維[4]。

2 TRIZ理論在金屬切削原理與刀具課程教學中的應用

2.1 TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯科學家阿奇舒勒團隊在通過對大量高水平發明專利研究的基礎上，提出的一種程式化的發明問題分析解決理論。其主要工具包含了：技術系統進化八大法則、技術沖突及沖突矩陣、物理沖突及分離原理、物場分析及標準解法、How-To模型及科學效應庫、克服思維慣性方法以及復雜問題解決的ARIZ方法等。該理論已經被廣泛應用于除工程技術問題之外的教育教學和人才培養等方面[5，6]。

2.2 應用技術系統進化法則

TRIZ理論提出了技術系統進化的8大法則，包括：完備性法則、能量傳導法則、協調性法則、提高理想度法則、子系統不均衡進化法則、向超系統進化法則、向微觀系統進化法則、動態性法則等。在有關刀具類型的講解中引入系統進化法則相關知識，引導學生探究刀具發展的歷程及未來趨勢，加深學生對于知識點的理解和記憶。例如車刀由整體式刀具——焊接式刀具——可轉位刀具的發展正是體現了刀具進化的動態性法則。

2.3 應用物場分析理論

物場分析的核心是“最小技術系統”理論，該方法通過將問題圖形化為由物質S1（主體）、物質S2（客體）和場F（物質1和物質2的聯系）組成的物場模型，通過分析物場模型是否有效、是否充分、是否產生有害作用等，并通過TRIZ理論提出的5大類76個標準解法進行問題求解，使系統朝著改善的理想化方向發展。利用物場分析理論建立刀具S1、工件S2和機械場F（刀具S1與工件S2之間的切削力）之間的物場模型如圖1所示。分別得到定向有效模型、有效不充分模型和產生有害作用模型三類。

圖1 金屬切削物場模型

通過建立金屬切削的物場模型，引導學生結合76個標準解法對金屬切削效益存在問題的兩類物場模型（有效不充分物場模型和產生有害作用物場模型）進行分析解決，進而掌握提高金屬切削效益的四大主要途徑。

（1）從增強物質S1刀具入手：合理選擇刀具的幾何角度、前刀面的形式，采用陶瓷、金剛石等性能優良的刀具材料，做好刀具的存儲和保養等以提高金屬切削效益。

（2）從增強物質S2工件入手：通過熱處理或添加少量添加劑提高工件材料的可加工性能，讓難加工材料變得容易加工，以提高金屬切削效益。

（3）從增強場F切削力入手：選擇合理的切削用量，增強制造系統的剛度和穩定性，使機床輸出的適宜的切削功率以提高金屬切削效益。

（4）從引入新的物質或場入手：引入切削液等新的物質或引入磁場[7]等新的場，抵消金屬切削過程中有害作用的產生，以提高金屬切削效益，如圖2。

圖2 引入切削液提高金屬切削效益

2.4 應用沖突解決理論

沖突解決理論包含了物理沖突和對應的分離原理解決方法、技術沖突和對應的沖突矩陣解決方法。由于金屬切削過程的復雜性，為了提高金屬切削效益，在切削用量的選擇上或在刀具的結構要求上往往出現某一參數有兩個相反的需求（即物理沖突），或者某一參數的改善導致了另一參數的惡化（即技術沖突）。

（1）物理沖突及其求解

問題描述：在保證切削效率的情況下，從減小切削力的角度考慮，應該選擇小的背吃刀量ap和大的進給量f；而從降低切削溫度的角度考慮，應該選擇大的背吃刀量ap和小的進給量f，從而背吃刀量和進給量既要大又要小，由此構成了物理沖突。

問題分析：根據沖突解決理論物理沖突的解決主要應用四大分離原理：時間分離、空間分離、條件分離、整體部分分離。結合金屬切削實際，對于背吃刀量和進給量的選擇可按照粗加工和精加工進行條件分離求解。

問題求解：粗加工以提高切削效率為主，因此選用較大的背吃刀量，精加工以保證切削質量為主，因此選用較小的背吃刀量，進給量的確定結合背吃刀量、工件材料、刀具材料等選取。

（2）技術沖突及其求解

問題描述：刀具的主偏角較大對減小刀具切削力有利，但會降低刀具壽命并使表面粗糙度變大，這就造成了刀具切削力和刀具壽命之間的技術沖突。

問題分析：實際問題中改善的參數為刀具切削力的降低，惡化的參數為刀具壽命的減小，通過將實際問題參數轉化為TRIZ沖突標準參數，改善參數11力和惡化參數22能量損失，通過查詢沖突矩陣得到發明問題解決原理14曲面化和原理15動態化。

問題求解：通過應用案例分析，選取發明問題原理14曲面化中將直線、平面用曲線、曲面代替的思路，在刀具切削刃中引入過渡刃，將原有直線切削刃變為曲線切削刃以實現問題的解決，如圖3所示。

圖3 刀具中的過渡刃設計

通過引入沖突解決原理增強了學生對于利用條件分離合理選擇切削用量提高金屬切削效益、在刀具中設計過渡刃等知識點掌握。

2.5 應用克服思維慣性方法

為了培養學生的發散思維，克服人云亦云的思維慣性，跳出現有知識束縛，在刀具設計、金屬切削原理有關知識中引入頭腦風暴法、類比法、九屏幕法、小人法、最終理想解法、金魚法和STC算子法等克服思維慣性方法，通過分小組討論、圖表分析等學習形式，引導學生理清知識脈絡，提高創新思維解決問題。例如，在學習背吃刀量增大對于切削溫度的影響時，采用頭腦風暴法對學生進行分組，使學生經過充分討論得到“背吃刀量增加雖然切削熱增加，但同時刀具傳熱面積也按比例增加，因而背吃刀量增加切削溫度基本不變的結論”；在學習刀具幾何角度對切削的影響時，可以采用類比法，將金屬切削過程與日常生活中的菜刀切菜聯系起來，引導學生正確理解刀具前角、楔角以及后角的作用。

3 結語

“金屬切削原理與刀具”課程是當前學校普遍反映教師不好教、學生不好學的課程之一[8]。通過課堂引入TRIZ理論系統進化法則、物場分析理論、沖突解決理論和克服思維慣性等方法，提高了學生學習興趣和發散思維，引導學生養成了發現問題、探究問題、解決問題的能力，增強了學生知識學習的系統性，有效破解了教學難點，提高了教學質量。除了新理論、新方法的應用，還需要用好國家教學資源庫等資源、加強信息化教學改革、開展理實一體化教學，加強學生實踐能力，全方位提高“金屬切削原理與刀具”課程教學質量，有效促成教學目標達程。