基于藝工結(jié)合的數(shù)控加工工程訓(xùn)練改革與實踐

胡小艦，魏同學(xué)，呂慶超，孫超群，高 祥

(西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710000)

0 引 言

工程訓(xùn)練是目前高校人才培養(yǎng)計劃中的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生工程意識、工程能力、工程素養(yǎng)以及工程創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)國家對高校工程訓(xùn)練實踐教學(xué)改革的進(jìn)一步要求，作為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向典型代表的數(shù)控加工已成為各高校工程訓(xùn)練的重要內(nèi)容，數(shù)控實訓(xùn)也成了工程實訓(xùn)教學(xué)中的必修內(nèi)容[1-2]。數(shù)控實訓(xùn)在各高校技能學(xué)習(xí)、工程訓(xùn)練以及工程認(rèn)證等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而目前采用的實訓(xùn)內(nèi)容難以讓學(xué)生對數(shù)控實訓(xùn)課程產(chǎn)生興趣，學(xué)習(xí)的質(zhì)量得不到保障。本文作者結(jié)合任職學(xué)校數(shù)控實訓(xùn)的實際情況，通過建立專業(yè)的教師團(tuán)隊，開發(fā)藝術(shù)與工程相結(jié)合的數(shù)控實訓(xùn)項目來解決學(xué)生在數(shù)控實訓(xùn)中學(xué)習(xí)主動性差、實訓(xùn)質(zhì)量低等問題[3-4]。

藝術(shù)與工程相結(jié)合是目前我國高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要探索方向，它是將藝術(shù)融入工程實踐當(dāng)中，使藝術(shù)與工程訓(xùn)練相通相融、相互促進(jìn)。現(xiàn)代大學(xué)生都應(yīng)該具備基礎(chǔ)的工程實踐能力，在實踐過程中獲得工程理論、工程體驗以及實踐知識，從而增加自身知識面。藝工結(jié)合實訓(xùn)項目的改革與實踐,既符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)和學(xué)科交叉要求，又培養(yǎng)了大學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新思維，提高了學(xué)習(xí)的主動性[5-7]。

1 教學(xué)設(shè)計

本課程改革主要以藝工相結(jié)合的數(shù)控加工項目為引導(dǎo)，以圖1所示典型的回轉(zhuǎn)類零件“創(chuàng)意子彈模型”為載體，教學(xué)設(shè)計從藝工相結(jié)合的角度出發(fā)，根據(jù)專業(yè)基礎(chǔ)知識的深淺對教學(xué)設(shè)計項目內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以提升不同學(xué)科學(xué)生對數(shù)控實訓(xùn)的興趣，并使學(xué)生充分認(rèn)識和掌握數(shù)控實訓(xùn)的相關(guān)內(nèi)容，培養(yǎng)現(xiàn)代大學(xué)生的工程實踐能力與創(chuàng)新能力[8-9]。

單位： mm圖1 創(chuàng)意子彈模型圖例

1.1 教學(xué)過程設(shè)計

按照數(shù)控加工的工藝流程要求，結(jié)合創(chuàng)意子彈模型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點,制定了如圖2所示的加工流程圖。通過該教學(xué)過程可以使學(xué)生全面地熟悉數(shù)控加工的整個加工過程，使每組的學(xué)生能夠依據(jù)工藝流程的安排進(jìn)行分工合作,培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力以及現(xiàn)場解決實際問題的能力[10-11]，最終完成從工藝設(shè)計到零件加工再到零件檢測分析等的整個工藝過程的學(xué)習(xí)。

圖2 創(chuàng)意子彈模型加工流程圖

1.2 模塊化教學(xué)

根據(jù)不同學(xué)科學(xué)生的特點，將加工項目分為機(jī)類和非機(jī)類兩個模塊[12]。機(jī)類對應(yīng)工科類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，需要完成復(fù)雜的回轉(zhuǎn)類零件內(nèi)外輪廓的加工，如圖3～5所示的零件，并進(jìn)行裝配；非機(jī)類對應(yīng)藝術(shù)類、理科和文科類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，主要完成較為復(fù)雜的回轉(zhuǎn)類零件外輪廓的加工，如圖6所示的零件。

課程內(nèi)容包括：任務(wù)分配、工藝設(shè)計、程序編制和加工檢測任務(wù)。

2 教學(xué)實施

教學(xué)設(shè)備有：數(shù)控車CK6136機(jī)床、計算機(jī)、繪圖軟件與仿真軟件以及實訓(xùn)所用刀具、量具和輔具等。材料選用毛坯直徑為φ25 mm的2A12鋁棒。

學(xué)生分組：將學(xué)生按照3人為一組進(jìn)行分組實訓(xùn)，以提高實訓(xùn)效率、保證實訓(xùn)安全以及增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。學(xué)生根據(jù)自愿原則自行組合，選1人任組長，由組長根據(jù)每個組員的特點對資料搜集、工藝文件制定、程序編制、零件檢測等任務(wù)進(jìn)行分配，組員之間應(yīng)具有相互合作、相互學(xué)習(xí)、取長補(bǔ)短的團(tuán)隊合作意識。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

機(jī)類模塊創(chuàng)意子彈模型產(chǎn)品分別由件A、件B和件C組合而成，零件結(jié)構(gòu)主要由圓柱、圓錐、螺紋、溝槽以及圓弧曲面構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、加工工序多、零件整體結(jié)構(gòu)尺寸小等特點[13]。因而對零件加工的工藝安排、刀具選擇、切削參數(shù)、夾具選擇等有較高要求，學(xué)生需在實訓(xùn)老師的指導(dǎo)下進(jìn)行實操。

結(jié)合不同學(xué)科學(xué)生的特點，教師對零件尺寸精度、表面粗糙度、形位公差等技術(shù)要求進(jìn)行了不同等級的安排，使學(xué)生根據(jù)自身的專業(yè)特點、實訓(xùn)時間的長短來合理安排零件加工精度[14]。例如尺寸公差按照IT9～I(xiàn)T13等級加工，表面粗糙度按照Ra1.6 μm～Ra3.2 μm等級加工，同軸度等形位公差結(jié)合零件加工后的尺寸公差和表面粗造度進(jìn)行合理調(diào)整[15]。

2.2 機(jī)類模塊零件工藝分析

2.2.1 件A工藝分析

件A屬于薄壁回轉(zhuǎn)類零件，加工內(nèi)容包含內(nèi)孔、內(nèi)螺紋及圓弧曲面等要素，根據(jù)其加工要素選擇使用數(shù)控車床進(jìn)行加工。難點是工藝裝夾方式的選擇和薄壁尺寸的控制。外圓精度按照IT9～I(xiàn)T11等級加工，外圓表面粗糙度為Ra1.6 μm，內(nèi)孔面表面粗糙度為Ra3.2 μm，螺紋內(nèi)孔與外圓φ14的同軸度公差為0.05 mm，如圖3所示。

圖3 件A零件圖

1) 根據(jù)零件外圓表面粗糙度要求較高的特點，外圓面不能出現(xiàn)接刀痕、劃傷等影響表面質(zhì)量的技術(shù)缺陷，因此加工件A時應(yīng)采用一次裝夾將外圓面加工完成，并按粗精加工工序分開進(jìn)行加工；

2) 外圓面加工時應(yīng)將毛坯長度尺寸預(yù)留出10～20 mm做為夾持面，從而實現(xiàn)外圓面的一次切削完成，保證其表面質(zhì)量；

3) 由于內(nèi)孔尺寸較小，因此內(nèi)孔加工時具有一定難度，主要體現(xiàn)在對刀具材料及尺寸參數(shù)的選擇；

4) 為了滿足裝配后的技術(shù)要求和外觀美觀度，加工時應(yīng)注意外圓面與內(nèi)型孔的形位公差要求，因此在調(diào)頭加工內(nèi)孔時應(yīng)采用百分表找正法對工件進(jìn)行找正裝夾，從而保證達(dá)到零件裝配的技術(shù)要求。

2.2.2 件B工藝分析

件B是薄壁綜合回轉(zhuǎn)體零件，加工內(nèi)容包含椎體、內(nèi)孔及內(nèi)外螺紋等要素，根據(jù)其加工要素選擇使用數(shù)控車床進(jìn)行加工。難點是工藝裝夾方式和刀具規(guī)格的選擇。外圓精度按照IT9～I(xiàn)T11等級加工，外圓表面粗糙度為Ra1.6 μm；內(nèi)孔面表面粗糙度為Ra3.2 μm，外圓與內(nèi)孔同軸度公差為0.05 mm，如圖4所示。

圖4 件B零件圖

1) 根據(jù)零件外圓表面粗糙度要求較高的特點，外圓面不能出現(xiàn)接刀痕、劃傷等影響表面質(zhì)量的技術(shù)缺陷，因此加工件B時應(yīng)采用一夾一頂?shù)难b夾方式將外圓面一次加工完成，并按粗精加工工序分開進(jìn)行加工；

2) 加工順序應(yīng)該由內(nèi)至外進(jìn)行加工，內(nèi)孔面加工時，應(yīng)考慮薄壁以及孔深等因素，因此對夾具和刀具的選擇至關(guān)重要；

3) 保證內(nèi)孔與外圓的同軸度要求及端面與外圓中心線的垂直度，同時保證總長尺寸要求。

2.2.3 件C工藝分析

件C是帶端面槽的臺階類零件，加工內(nèi)容包括臺階軸、端面槽及螺紋等要素，根據(jù)其加工要素選擇使用數(shù)控車床進(jìn)行加工。難點是工藝裝夾方式的選擇和端面槽的加工，如圖5所示。

圖5 件C零件圖

件C為帶端面槽的臺階軸，先加工右端外輪廓，保證螺紋和件B緊密配合。加工左端面輪廓時，由于夾持量少，應(yīng)避免工件脫落，加工時應(yīng)該注意切削用量的合理選擇和零件穩(wěn)固裝夾。端面有端面槽，加工時注意刀具的角度和切削用量問題。圖5中尺寸都是未注公差，應(yīng)按技術(shù)要求未注公差I(lǐng)T9～I(xiàn)T11精度等級,外表面粗糙度Ra1.6 μm進(jìn)行加工。工件表面不能有磕碰、劃痕和毛刺等。

2.3 非機(jī)類模塊零件工藝分析

根據(jù)非機(jī)類模塊實訓(xùn)學(xué)生的特點，實訓(xùn)主要完成較為復(fù)雜的回轉(zhuǎn)類零件外輪廓的加工，加工內(nèi)容包括圓弧曲面、圓柱面、圓錐面、臺階軸及外圓槽等要素，要求學(xué)生掌握簡單的工藝制定、程序編制、工件裝夾等內(nèi)容，難點是程序編制和加工操作，零件精度要求為IT9～I(xiàn)T11，表面粗糙度Ra1.6 μm，如圖6所示。

單位： mm圖6 創(chuàng)意子彈模型外形零件圖

1) 裝夾方式：根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，零件裝夾方式采用自定心三爪卡盤，使用一次裝夾完成零件的所有工序加工；

2) 加工工序：粗加工(90°外圓車刀)→精加工(35°外圓車刀)→槽加工(3 mm外圓切刀)→切斷(3 mm外圓切刀)；

3) 程序編制：采用簡單程序指令進(jìn)行程序編制，不要求使用復(fù)合循環(huán)等復(fù)雜程序指令，根據(jù)加工工序正確編制加工程序，確保加工過程的安全。

2.4 工藝參數(shù)制定

機(jī)類模塊和非機(jī)類模塊均參考表1工藝切削參數(shù)進(jìn)行零件加工。依據(jù)件A,件B，件C的零件工藝分析及加工過程安排，經(jīng)過現(xiàn)場實際加工后得出工藝切削參數(shù)(見表1)，并結(jié)合工藝過程安排，分別對件A，件B,件C進(jìn)行切削加工，既能夠保證零件加工的質(zhì)量和效率，也有利于學(xué)生在數(shù)控實訓(xùn)中對操作技能的掌握和團(tuán)隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。

表1 工藝切削參數(shù)表

2.5 零件檢驗及質(zhì)量分析

2.5.1 零件檢驗

根據(jù)零件圖紙尺寸公差和裝配精度要求，對各組所加工的零件進(jìn)行檢驗,檢驗分為自檢和教師檢驗兩種方式進(jìn)行，確保各零件的尺寸精度和裝配精度達(dá)到圖紙要求[16]。最終得到加工后的合格創(chuàng)意子彈模型實體如圖7所示。

圖7 學(xué)生作品

2.5.2 質(zhì)量分析

對零件進(jìn)行質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)的問題及解決方法有：

1) 零件表面質(zhì)量差。零件表面質(zhì)量差主要由切削參數(shù)和刀具選擇錯誤所引起，合理選擇切削參數(shù)和刀具是解決零件表面質(zhì)量差的有效方法。

2) 螺紋不合格。檢查螺紋的大徑、小徑運(yùn)算是否正確，刀具安裝角度和螺紋加工深度是否符合要求。

3) 鏜孔時出現(xiàn)錐孔。由于孔尺寸較小，所使用的刀具直徑相對變小，使得刀具剛度變差，因而加工時刀具容易出現(xiàn)顫刀現(xiàn)象，造成加工后的孔出現(xiàn)錐度，解決的方法主要是加強(qiáng)刀具剛度和合理選擇切削參數(shù)。

4) 薄壁件出現(xiàn)壁厚不均勻。檢查薄壁件是否變形和內(nèi)外徑尺寸是否合格，應(yīng)合理選擇薄壁件加工時的裝夾方式和加工工序。

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現(xiàn)象和切削參數(shù)選擇不合理造成的。

6) 裝配尺寸不合格。主要是由裝配尺寸超差或者裝配間隙過大等原因造成，應(yīng)檢查各零件尺寸精度和形位公差是否符合圖紙要求。

3 結(jié) 論

結(jié)合數(shù)控實訓(xùn)的實際情況，對數(shù)控實訓(xùn)項目進(jìn)行改革和實踐，提高了不同學(xué)科學(xué)生對工程訓(xùn)練的學(xué)習(xí)主動性，改進(jìn)了以往由于實訓(xùn)項目簡單化、專業(yè)性強(qiáng)造成的學(xué)生主動性差等問題，并提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維、團(tuán)隊協(xié)作能力。

學(xué)生所加工的產(chǎn)品榮獲全國職業(yè)院校學(xué)生技能作品展洽會優(yōu)秀技能學(xué)生作品項目三等獎，同時該課程榮獲陜西省本科高校工程訓(xùn)練教師能力競賽微課項目省級二等獎。