基于艺工结合的数控加工工程训练改革与实践
时间：2022-12-03 12:55:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡小舰，魏同学，吕庆超，孙超群，高 祥
(西安工程大学工程训练中心，陕西 西安 710000)
工程训练是目前高校人才培养计划中的重要组成部分，是培养学生工程意识、工程能力、工程素养以及工程创新能力的关键环节。依据国家对高校工程训练实践教学改革的进一步要求，作为现代先进制造技术发展方向典型代表的数控加工已成为各高校工程训练的重要内容，数控实训也成了工程实训教学中的必修内容[1-2]。数控实训在各高校技能学习、工程训练以及工程认证等方面发挥了至关重要的作用。然而目前采用的实训内容难以让学生对数控实训课程产生兴趣，学习的质量得不到保障。本文作者结合任职学校数控实训的实际情况，通过建立专业的教师团队，开发艺术与工程相结合的数控实训项目来解决学生在数控实训中学习主动性差、实训质量低等问题[3-4]。
艺术与工程相结合是目前我国高校创新人才培养的重要探索方向，它是将艺术融入工程实践当中，使艺术与工程训练相通相融、相互促进。现代大学生都应该具备基础的工程实践能力，在实践过程中获得工程理论、工程体验以及实践知识，从而增加自身知识面。艺工结合实训项目的改革与实践,既符合创新人才培养和学科交叉要求，又培养了大学生的工程能力、创新思维，提高了学习的主动性[5-7]。
本课程改革主要以艺工相结合的数控加工项目为引导，以图1所示典型的回转类零件“创意子弹模型”为载体，教学设计从艺工相结合的角度出发，根据专业基础知识的深浅对教学设计项目内容进行相应调整，以提升不同学科学生对数控实训的兴趣，并使学生充分认识和掌握数控实训的相关内容，培养现代大学生的工程实践能力与创新能力[8-9]。
单位：
mm图1 创意子弹模型图例
1.1 教学过程设计
按照数控加工的工艺流程要求，结合创意子弹模型产品的结构特点,制定了如图2所示的加工流程图。通过该教学过程可以使学生全面地熟悉数控加工的整个加工过程，使每组的学生能够依据工艺流程的安排进行分工合作,培养学生的团队协作能力以及现场解决实际问题的能力[10-11]，最终完成从工艺设计到零件加工再到零件检测分析等的整个工艺过程的学习。
图2 创意子弹模型加工流程图
1.2 模块化教学
根据不同学科学生的特点，将加工项目分为机类和非机类两个模块[12]。机类对应工科类相关专业的学生，需要完成复杂的回转类零件内外轮廓的加工，如图3～5所示的零件，并进行装配；
非机类对应艺术类、理科和文科类相关专业的学生，主要完成较为复杂的回转类零件外轮廓的加工，如图6所示的零件。
课程内容包括：任务分配、工艺设计、程序编制和加工检测任务。
教学设备有：数控车CK6136机床、计算机、绘图软件与仿真软件以及实训所用刀具、量具和辅具等。材料选用毛坯直径为φ25 mm的2A12铝棒。
学生分组：将学生按照3人为一组进行分组实训，以提高实训效率、保证实训安全以及增强学生的团队协作能力。学生根据自愿原则自行组合，选1人任组长，由组长根据每个组员的特点对资料搜集、工艺文件制定、程序编制、零件检测等任务进行分配，组员之间应具有相互合作、相互学习、取长补短的团队合作意识。
2.1 产品结构分析
机类模块创意子弹模型产品分别由件A、件B和件C组合而成，零件结构主要由圆柱、圆锥、螺纹、沟槽以及圆弧曲面构成，具有结构较为复杂、加工工序多、零件整体结构尺寸小等特点[13]。因而对零件加工的工艺安排、刀具选择、切削参数、夹具选择等有较高要求，学生需在实训老师的指导下进行实操。
结合不同学科学生的特点，教师对零件尺寸精度、表面粗糙度、形位公差等技术要求进行了不同等级的安排，使学生根据自身的专业特点、实训时间的长短来合理安排零件加工精度[14]。例如尺寸公差按照IT9～IT13等级加工，表面粗糙度按照Ra1.6 μm～Ra3.2 μm等级加工，同轴度等形位公差结合零件加工后的尺寸公差和表面粗造度进行合理调整[15]。
2.2 机类模块零件工艺分析
2.2.1 件A工艺分析
件A属于薄壁回转类零件，加工内容包含内孔、内螺纹及圆弧曲面等要素，根据其加工要素选择使用数控车床进行加工。难点是工艺装夹方式的选择和薄壁尺寸的控制。外圆精度按照IT9～IT11等级加工，外圆表面粗糙度为Ra1.6 μm，内孔面表面粗糙度为Ra3.2 μm，螺纹内孔与外圆φ14的同轴度公差为0.05 mm，如图3所示。
图3 件A零件图
1) 根据零件外圆表面粗糙度要求较高的特点，外圆面不能出现接刀痕、划伤等影响表面质量的技术缺陷，因此加工件A时应采用一次装夹将外圆面加工完成，并按粗精加工工序分开进行加工；
2) 外圆面加工时应将毛坯长度尺寸预留出10～20 mm做为夹持面，从而实现外圆面的一次切削完成，保证其表面质量；
3) 由于内孔尺寸较小，因此内孔加工时具有一定难度，主要体现在对刀具材料及尺寸参数的选择；
4) 为了满足装配后的技术要求和外观美观度，加工时应注意外圆面与内型孔的形位公差要求，因此在调头加工内孔时应采用百分表找正法对工件进行找正装夹，从而保证达到零件装配的技术要求。
2.2.2 件B工艺分析
件B是薄壁综合回转体零件，加工内容包含椎体、内孔及内外螺纹等要素，根据其加工要素选择使用数控车床进行加工。难点是工艺装夹方式和刀具规格的选择。外圆精度按照IT9～IT11等级加工，外圆表面粗糙度为Ra1.6 μm；
内孔面表面粗糙度为Ra3.2 μm，外圆与内孔同轴度公差为0.05 mm，如图4所示。
图4 件B零件图
1) 根据零件外圆表面粗糙度要求较高的特点，外圆面不能出现接刀痕、划伤等影响表面质量的技术缺陷，因此加工件B时应采用一夹一顶的装夹方式将外圆面一次加工完成，并按粗精加工工序分开进行加工；
2) 加工顺序应该由内至外进行加工，内孔面加工时，应考虑薄壁以及孔深等因素，因此对夹具和刀具的选择至关重要；
3) 保证内孔与外圆的同轴度要求及端面与外圆中心线的垂直度，同时保证总长尺寸要求。
2.2.3 件C工艺分析
件C是带端面槽的台阶类零件，加工内容包括台阶轴、端面槽及螺纹等要素，根据其加工要素选择使用数控车床进行加工。难点是工艺装夹方式的选择和端面槽的加工，如图5所示。
图5 件C零件图
件C为带端面槽的台阶轴，先加工右端外轮廓，保证螺纹和件B紧密配合。加工左端面轮廓时，由于夹持量少，应避免工件脱落，加工时应该注意切削用量的合理选择和零件稳固装夹。端面有端面槽，加工时注意刀具的角度和切削用量问题。图5中尺寸都是未注公差，应按技术要求未注公差IT9～IT11精度等级,外表面粗糙度Ra1.6 μm进行加工。工件表面不能有磕碰、划痕和毛刺等。
2.3 非机类模块零件工艺分析
根据非机类模块实训学生的特点，实训主要完成较为复杂的回转类零件外轮廓的加工，加工内容包括圆弧曲面、圆柱面、圆锥面、台阶轴及外圆槽等要素，要求学生掌握简单的工艺制定、程序编制、工件装夹等内容，难点是程序编制和加工操作，零件精度要求为IT9～IT11，表面粗糙度Ra1.6 μm，如图6所示。
单位：
mm图6 创意子弹模型外形零件图
1) 装夹方式：根据零件的结构特点，零件装夹方式采用自定心三爪卡盘，使用一次装夹完成零件的所有工序加工；
2) 加工工序：粗加工(90°外圆车刀)→精加工(35°外圆车刀)→槽加工(3 mm外圆切刀)→切断(3 mm外圆切刀)；
3) 程序编制：采用简单程序指令进行程序编制，不要求使用复合循环等复杂程序指令，根据加工工序正确编制加工程序，确保加工过程的安全。
2.4 工艺参数制定
机类模块和非机类模块均参考表1工艺切削参数进行零件加工。依据件A,件B，件C的零件工艺分析及加工过程安排，经过现场实际加工后得出工艺切削参数(见表1)，并结合工艺过程安排，分别对件A，件B,件C进行切削加工，既能够保证零件加工的质量和效率，也有利于学生在数控实训中对操作技能的掌握和团队协作能力的培养。
表1 工艺切削参数表
2.5 零件检验及质量分析
2.5.1 零件检验
根据零件图纸尺寸公差和装配精度要求，对各组所加工的零件进行检验,检验分为自检和教师检验两种方式进行，确保各零件的尺寸精度和装配精度达到图纸要求[16]。最终得到加工后的合格创意子弹模型实体如图7所示。
图7 学生作品
2.5.2 质量分析
对零件进行质量分析，发现的问题及解决方法有：
1) 零件表面质量差。零件表面质量差主要由切削参数和刀具选择错误所引起，合理选择切削参数和刀具是解决零件表面质量差的有效方法。
2) 螺纹不合格。检查螺纹的大径、小径运算是否正确，刀具安装角度和螺纹加工深度是否符合要求。
3) 镗孔时出现锥孔。由于孔尺寸较小，所使用的刀具直径相对变小，使得刀具刚度变差，因而加工时刀具容易出现颤刀现象，造成加工后的孔出现锥度，解决的方法主要是加强刀具刚度和合理选择切削参数。
4) 薄壁件出现壁厚不均匀。检查薄壁件是否变形和内外径尺寸是否合格，应合理选择薄壁件加工时的装夹方式和加工工序。
5) 平底孔和端面槽不合格。主要是由刀具角度刃磨不合格所造成的干涉现象和切削参数选择不合理造成的。
6) 装配尺寸不合格。主要是由装配尺寸超差或者装配间隙过大等原因造成，应检查各零件尺寸精度和形位公差是否符合图纸要求。
结合数控实训的实际情况，对数控实训项目进行改革和实践，提高了不同学科学生对工程训练的学习主动性，改进了以往由于实训项目简单化、专业性强造成的学生主动性差等问题，并提高了学生的创新思维、团队协作能力。
学生所加工的产品荣获全国职业院校学生技能作品展洽会优秀技能学生作品项目三等奖，同时该课程荣获陕西省本科高校工程训练教师能力竞赛微课项目省级二等奖。
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