基于OBE教學(xué)模式的切削力測試開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊 鋼

(重慶交通大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，重慶 南岸區(qū) 400074)

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(out comes based education，OBE)強(qiáng)調(diào)“教育產(chǎn)出”(學(xué)生學(xué)到什么)，而非 “教育輸出”(教師教了什么)[1]。因此，為培養(yǎng)具有工程創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的綜合性人才，必須對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行改革，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的切削力測試實(shí)驗(yàn)，將給學(xué)生更多的自由度，使學(xué)生帶著自己設(shè)計(jì)的目標(biāo)去解決問題。

機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)是重慶交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院的特色專業(yè)，“金屬工藝學(xué)”是該專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在第三學(xué)期開出，有46學(xué)時的理論課，雖然開設(shè)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課和工程訓(xùn)練，但切削力測試實(shí)驗(yàn)由于沒有實(shí)驗(yàn)條件，只能進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)[2－3]。而該實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的應(yīng)用實(shí)踐性，從本科三、四年級學(xué)生的各類學(xué)科競賽作品制作效果來看，由于對切削力沒有足夠的認(rèn)識，導(dǎo)致加工效果不理想，而又不知道原因何在，更談不上如何解決。如果將這個項(xiàng)目設(shè)計(jì)成綜合型實(shí)驗(yàn)，由于所涉及知識點(diǎn)較多，學(xué)生需要做大量的對比實(shí)驗(yàn)才能分析出結(jié)果又會導(dǎo)致時間不夠，因此，將其設(shè)計(jì)成開放實(shí)驗(yàn)才能讓學(xué)生靜下心來學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，為培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神提供一個良好的平臺[4－6]。

該實(shí)驗(yàn)的前期應(yīng)開展如下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目:1)刀具幾何角度的測量；2)工程訓(xùn)練即金屬工藝學(xué)實(shí)習(xí)中的車工實(shí)習(xí) (學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)的實(shí)習(xí)時間為4周，其車工的內(nèi)容必須包含車刀的刃磨環(huán)節(jié))；3)傳感器實(shí)驗(yàn)。除此之外，金屬工藝學(xué)和機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[7]的理論課必須先修。

目前，對切削力測試的儀器種類主要有電感式、電容式、電阻應(yīng)變式以及壓電測力儀等。綜合各方面情況，學(xué)校在2013年國家下?lián)艿膶ｍ?xiàng)資金支持下，引進(jìn)了大連理工大學(xué)開發(fā)研制的YDC－Ⅲ89A型壓電式車削測力儀，該儀器是目前國內(nèi)唯一處于領(lǐng)先地位，而且在國際同類產(chǎn)品也處于先進(jìn)水平的測力儀。[8－11]

采用該儀器不僅能使學(xué)生掌握這一檢測技術(shù)手段，拓寬學(xué)生的知識面，并通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析和比較，使其能深刻理解影響切削力的各參數(shù)對切削力和加工過程的影響[12]。

1 切削力測試目的與原理

1.1 目的

1)了解壓電式車削測力儀的工作原理與相關(guān)性能指標(biāo)，掌握其正確使用方法；

2)進(jìn)一步熟悉車床的操作過程和安全注意事項(xiàng)；

3)掌握單因素實(shí)驗(yàn)方法，在對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后能建立切削力的經(jīng)驗(yàn)公式；

4)通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較和分析，找出影響該結(jié)果的主要因素，并提出解決方案。

1.2 壓電式車削測力儀的工作原理

壓電式切削測力儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該測力儀與普通車刀結(jié)構(gòu)相似，只是在車刀體的內(nèi)部裝配了一個三向壓電石英力傳感器。它不僅具有高剛度、高靈敏度、線性良好等靜動態(tài)特性，而且結(jié)構(gòu)簡單、小型輕便，可方便地裝在車床的刀架上，從而及時準(zhǔn)確地測出三向靜動態(tài)切削力。

壓電式切削測力儀采用壓電石英力傳感器作為力－電轉(zhuǎn)換元件，一般是常用 “正壓電效應(yīng)”原理制成的，如圖2所示。

圖1 壓電式切削測力儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 壓電石英三維力傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 項(xiàng)目設(shè)置與實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 項(xiàng)目設(shè)置

由于金屬材料的種類較多，根據(jù)生產(chǎn)中通用的材料，如碳鋼(Q235、45號鋼)、合金鋼(40Gr、20 CrMo)、鑄鐵(HT200、QT400－18)、有色金屬(6061鋁合金、H62黃銅)，建議讓每組學(xué)生選擇1種材料，每組至少選擇3個單一因素，每個單一因素至少測量10組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。各組以3人為單元，一人負(fù)責(zé)操作車床，一人負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)，一人負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)和安全監(jiān)督。由于每次開放實(shí)驗(yàn)人數(shù)和每組思考與解決問題方式的不一致，學(xué)生也可自己選擇如何配置，并給出配置的理由，同時設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)的步驟與方案，并給出論證報(bào)告。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)建立切削力經(jīng)驗(yàn)公式。

首先通過車削演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生分析影響切削力的各種因素，列出函數(shù)關(guān)系:

然后讓學(xué)生分組，用單因素法自行選取不同因素為研究對象，討論并寫出實(shí)驗(yàn)步驟交給指導(dǎo)教師審核并討論方案的可行性。

2)確認(rèn)各項(xiàng)安全措施、相關(guān)人員和工量具到位；檢查和調(diào)試車床，使其各項(xiàng)功能正常；正確安裝和連接測力儀、刀具和工件；進(jìn)入測力儀系統(tǒng)，按照說明書進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的填寫與系統(tǒng)調(diào)試；最后，根據(jù)預(yù)先的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃按步驟地進(jìn)行測試，并及時記錄數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)測量

通過壓電式車削測力儀，可以采集不同工況下的切削力。限于篇幅，只記錄了45號鋼在設(shè)定的情況下所測量的切削力。其中一組學(xué)生自行設(shè)計(jì)的表格如表1～表2所示，其中，表1為背吃刀量取最小和最大所測量的數(shù)據(jù)(中間的數(shù)據(jù)省略)；表2為進(jìn)給量取最小和最大所測量的數(shù)據(jù)(中間的數(shù)據(jù)省略)。在實(shí)驗(yàn)過程中為便于分析和減少誤差，一般會要求學(xué)生至少采集10組數(shù)據(jù)。

3.2 根據(jù)測量情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

限于篇幅，上述4組數(shù)據(jù)的圖像，如圖3～圖6所示。

表1 單因素(背吃刀量)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

表2 單因素(進(jìn)給量)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

圖3 n=320，f=0.16，ap=0.4時，切削力最大點(diǎn)位置

圖4 n=320，f=0.16，ap=2時，切削力最大點(diǎn)位置

圖5 n=320，ap=1.2，f=0.06時，切削力最大點(diǎn)位置

3.3 建立經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可在軟件中建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，如圖6～圖8所示。

圖6 背吃刀量與切削力的關(guān)系式

圖7 進(jìn)給量與切削力的關(guān)系式

圖8 背吃刀量和進(jìn)給量與切削力的綜合關(guān)系式

3.4 數(shù)據(jù)的比較與歸納總結(jié)

將上述建立的經(jīng)驗(yàn)公式和工具書所查資料進(jìn)行對比，即可驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，同時，也可看出各系數(shù)間存在一定誤差。通過回顧實(shí)驗(yàn)過程和儀器設(shè)備的狀況，可讓學(xué)生分析誤差存在的原因和對應(yīng)的解決措施，并形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4 教學(xué)引導(dǎo)

切削力在生產(chǎn)過程中對加工效率、加工精度、刀具壽命等方面均有較大的影響，各個國家針對不同材料，為達(dá)到不同切削過程的目的，均展開了大量的實(shí)驗(yàn)分析研究。為了讓學(xué)生深刻理解切削力對加工過程的影響，在課程開始階段，就通過幾個典型的案例分析(如細(xì)長軸在車削過程因切削力的影響而發(fā)生的變形情況；大余量車削外圓過程中，因切削用量選擇不合理而造成的刀具壽命降低等)進(jìn)行現(xiàn)場加工操作和實(shí)時測量，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)其中的問題所在。

而如何解決問題，則通過知識點(diǎn)的引入和引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并通過相互之間以及與教師之間的討論等措施，使其養(yǎng)成在做中學(xué)、學(xué)中做的習(xí)慣，達(dá)到知識的循環(huán)積累和在失敗中不斷歸納總結(jié)的目的。

表3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置一覽表

5 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首次應(yīng)用于我校的機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)4～5學(xué)期的學(xué)生，開放人數(shù)遠(yuǎn)超預(yù)期。經(jīng)過為期10學(xué)時的開放實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練 (實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置如表3所示)，學(xué)生不但掌握了用壓電式車削測力儀在車削過程中切削力如何測試，而且用自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案所得出的結(jié)論回答了實(shí)驗(yàn)前的疑問。更重要的是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中始終保持孜孜不倦的求索精神，并深刻體會到了養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng) (如實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納與整理對結(jié)果的影響)的重要性，并體會到通過辛勤勞動而獲得成果的喜悅。

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)取得了較好的教學(xué)效果，得到了學(xué)生和學(xué)校教務(wù)處認(rèn)可和好評。但是，還存在以下2個需要完善的問題。

1)目前只針對車床開展了切削力的測試，而對于銑床、磨床等金屬切削加工機(jī)床限于沒有測量儀器設(shè)備而未開展；

2)目前僅針對部分典型材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而對于一些難加工材料還沒有涉及，需要后期進(jìn)一步拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，在服務(wù)于教學(xué)的同時也為科研積累部分?jǐn)?shù)據(jù)。

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