金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)方案探究

趙海寧

摘要：金屬切削加工在機(jī)械制造專業(yè)人才培養(yǎng)體系中具有非常重要的作用。文章深入探討了金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)開設(shè)的必要性，并對(duì)教學(xué)方案的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、測(cè)試方法及分析技術(shù)進(jìn)行了研究，最后對(duì)整個(gè)教學(xué)過程進(jìn)行預(yù)演和評(píng)估，希望能對(duì)機(jī)械制造類專業(yè)課程建設(shè)和改革提供一些參考。

Abstract： Metal cutting plays a very important role in the training system of mechanical manufacturing professionals. This paper deeply discusses the necessity of setting up the comprehensive experiment of metal cutting， and studies the experimental content， test method and analysis technology of the teaching scheme. Finally， the whole teaching process is previewed and evaluated， hoping to provide some reference for the construction and reform of mechanical manufacturing professional courses.

關(guān)鍵詞：金屬切削加工;綜合實(shí)驗(yàn);方案;拓展

Key words： metal cutting;comprehensive experiment;scheme;development

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0242-02

0? 引言

金屬材料的加工與運(yùn)用對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用，尤其是工業(yè)革命以來，金屬切削加工始終是工業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)，時(shí)至今日，在機(jī)械制造中仍占有很大的比例。金屬切削加工要具備三個(gè)基本條件，即刀具具備切削性能、刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)和刀具與工件間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就需要機(jī)床、夾具、刀具和工件構(gòu)成一個(gè)切削加工系統(tǒng)，而切削過程的各種現(xiàn)象和規(guī)律都要在這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中去探究，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，切削加工技術(shù)也有了很多突破和發(fā)展，加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到了大幅提升，加工成本也有效降低，這其中金屬切削原理與刀具基礎(chǔ)理論的研究工作起到了至關(guān)重要的作用[1]。因此開展金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更加深入細(xì)致地學(xué)習(xí)金屬切削加工相關(guān)知識(shí)，可以更好的培養(yǎng)機(jī)械制造專業(yè)高端人才，為我國(guó)的裝備制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、先進(jìn)制造技術(shù)水平提升服務(wù)[2]。

1? 金屬切削加工類實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

金屬切削加工類實(shí)驗(yàn)一般為機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、車輛工程專業(yè)必修內(nèi)容之一，一般設(shè)有車刀標(biāo)注角度的測(cè)量和車削力的測(cè)定及經(jīng)驗(yàn)公式的建立兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求（見表1）。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是金屬切削加工類實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，可以讓學(xué)生初步掌握金屬切削實(shí)驗(yàn)的基本方法和技能，同時(shí)對(duì)有關(guān)測(cè)量?jī)x器及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理有一定了解，但是對(duì)于切削加工系統(tǒng)中同等重要的因素（如車削熱、車削溫度、車削加工特性、切屑控制、刀具磨損、刀具壽命等）的了解程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

現(xiàn)代智能制造日益成為制造業(yè)發(fā)展的重大趨勢(shì)和核心內(nèi)容，在設(shè)計(jì)和使用特種機(jī)床和刀具，或者是應(yīng)用高切削性能新材料甚至刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)等生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，都要全方位地考慮眾多因素的影響，因此，讓學(xué)生全面細(xì)致地了解和掌握金屬切削加工相關(guān)知識(shí)非常必要。

2? 金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)要將車刀構(gòu)造、車削力、車削熱、車削溫度、車削加工特性、切屑控制、刀具磨損、刀具壽命等知識(shí)點(diǎn)融為一體，使學(xué)生進(jìn)一步掌握和鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，充分發(fā)揮學(xué)生獨(dú)立思考、協(xié)同合作、應(yīng)用拓展等能力，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代信息化測(cè)試技術(shù)和工具解決工程實(shí)際問題的能力，使之成為一門綜合型、設(shè)計(jì)性、實(shí)用性實(shí)驗(yàn)課程[3]。

2.1 豐富教學(xué)內(nèi)容? 金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容一定要全面覆蓋，因此要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容最大程度地豐富，使學(xué)生對(duì)金屬切削加工要素有全面細(xì)致地了解。

2.1.1 增加“切削層變形觀察與測(cè)量”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目? 切削層變形指的是被切削的金屬層在刀具的切削刃及前刀面的作用下受擠壓而產(chǎn)生的剪切滑移變形，不同金屬材料的形成過程也不盡相同?；诣T鐵、球墨鑄鐵等脆性材料的切削層是在刀具作用下先被擠壓變形，然后形成裂紋并沿著某一曲面迅速脆斷，而形成單元切屑、崩碎切屑;而銅、鋁、碳鋼等韌性材料則是在刀具作用下形成兩個(gè)變形階段，在第一變形階段中首先形成滑移線，被切削金屬沿滑移線產(chǎn)生滑移變形，而后在第二變形階段內(nèi)切屑底層的晶粒進(jìn)一步被拉長(zhǎng)，甚至幾乎平行于前刀面，最終形成擠裂切屑、帶狀切屑，這種直觀的觀察讓學(xué)生印象深刻。

切屑形成的過程及切屑層的變化規(guī)律是研究切削加工中各種物理現(xiàn)象（切削力、切削熱、切削溫度、刀具磨損、加工表面質(zhì)量等）的基礎(chǔ)，觀察切屑形成的過程對(duì)于學(xué)生直觀了解相關(guān)知識(shí)有非常好的信息表達(dá)效果，而通過觀察切削速度、進(jìn)給量和刀具前角等因素對(duì)切削層變形的影響，也會(huì)對(duì)學(xué)生掌握切削層變形機(jī)理起到非常直觀深刻的促進(jìn)作用[4]。

2.1.2 增加“車削溫度測(cè)定及經(jīng)驗(yàn)公式建立”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目? 切削加工過程中所產(chǎn)生的切削熱除了少部分逸散到周圍介質(zhì)中以外，其余均傳入工件、切屑和刀具中，產(chǎn)生的溫升引起工件變形、加速刀具磨損，因此切削溫度的測(cè)量非常有必要。只有準(zhǔn)確的測(cè)量才能掌握切削用量等因素對(duì)車削溫度的影響規(guī)律，并建立車削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，在高精度加工中設(shè)計(jì)合適的加工參數(shù)，保證加工質(zhì)量。

測(cè)量切削溫度的方法有很多，而工程中最為常用的是刀具—工件自然熱電偶法。利用刀具和工件材料的差異作為自然熱電偶的“冷”、“熱”兩極而形成閉合回路，切削工作時(shí)，刀具、工件及鐵屑處的溫度急速升高而形成熱電偶的熱端，而刀具尾端和工件的引出端溫度變化很小而形成熱電偶的冷端，從而產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過熱電特性標(biāo)定而轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度值。

2.1.3 增加“刀具磨損測(cè)量及曲線繪制”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目? 刀具磨損在金屬切削加工過程中是不可避免的一種現(xiàn)象，隨著切削加工的進(jìn)行，刀具必將產(chǎn)生磨損并且不斷發(fā)展，而刀具的磨損又在很大程度上影響著工件的尺寸精度和加工表面的質(zhì)量。切削速度是對(duì)刀具磨損影響最大的因素，因此確定切削速度與刀具耐用度間的曲線關(guān)系具有非常重要的意義。

對(duì)刀具的前刀面、后刀面磨損情況進(jìn)行的測(cè)量之后，將磨損形態(tài)繪制并標(biāo)注，讓學(xué)生掌握測(cè)量刀具磨損的基本方法，加深對(duì)刀具磨損的認(rèn)識(shí);采用逐點(diǎn)停車法制作刀具磨損曲線，讓學(xué)生直觀的了解磨損過程中各個(gè)階段的磨損速率的差異，更加深刻的掌握加工過程中的刀具磨損規(guī)律。各個(gè)切削用量參數(shù)中，切削速度對(duì)于刀具的磨損影響最大，在其他參數(shù)不變的前提下，改變切削速度進(jìn)行同樣加工時(shí)，可以得出一組切削速度相關(guān)的磨損曲線，進(jìn)而求出不同切削速度下的刀具耐用度，將各組數(shù)據(jù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)注并連線，便可得到一條表示切削速度和刀具耐用度之間關(guān)系的曲線，進(jìn)而可以推導(dǎo)出反映關(guān)系的泰勒公式。

2.2 拓展測(cè)試技術(shù)? 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)緊密相連，隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，新的測(cè)試方法層出不窮。因此，為了保證測(cè)試的科學(xué)性和先進(jìn)性，有必要對(duì)原有的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行拓展和更新（見表2），這樣也能讓學(xué)生了解和掌握更多的測(cè)試技術(shù)。

2.3 延展分析方法? 實(shí)驗(yàn)獲得的原始數(shù)據(jù)要進(jìn)行分析處理才能獲取相應(yīng)的結(jié)論，各種分析方法優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍也不盡相同，在金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)中除了對(duì)常規(guī)的單因素圖解法和一元線性回歸法做詳細(xì)講解和應(yīng)用外，還將正交回歸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、多元線性回歸和方差分析有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生了解各種實(shí)際問題的解決方法[5]。

3? 金屬加工綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程

3.1 課前滲透預(yù)研? 課前對(duì)金屬加工綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及方法進(jìn)行分層次、漸進(jìn)式的知識(shí)點(diǎn)滲透，并要求學(xué)生進(jìn)行預(yù)研，并完成相應(yīng)的預(yù)研分析和驗(yàn)證目標(biāo)，讓學(xué)生帶著疑問、帶著興趣、帶著信心走入實(shí)驗(yàn)室，通過有效的預(yù)研效果測(cè)試，讓學(xué)生壓力與動(dòng)力并存，從而保證良好的預(yù)研效果，使學(xué)生牢牢掌握實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)[6]。

3.2 課中引導(dǎo)啟發(fā)? 實(shí)驗(yàn)過程中，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，用目標(biāo)引導(dǎo)，要求學(xué)生根據(jù)具體條件自擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)，啟發(fā)學(xué)生自主組織實(shí)驗(yàn)工作，讓學(xué)生從認(rèn)知、動(dòng)手實(shí)踐到思考、思維拓展，在實(shí)驗(yàn)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)和引導(dǎo)下，掌握必需的理論知識(shí)和操作技巧，經(jīng)過獨(dú)立思考和小組討論，提出問題、分析問題、解決問題，扎扎實(shí)實(shí)地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

3.3 課后歸納鞏固? 完成實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析之后，還要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納和總結(jié)，以檢驗(yàn)整體教學(xué)效果。通過歸納總結(jié)，可以讓學(xué)生理順知識(shí)結(jié)構(gòu)、鞏固知識(shí)重點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程的實(shí)踐能力和工程水平不斷提升，創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力不斷提高，成為提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的有效途徑[7]。

4? 結(jié)語(yǔ)

金屬切削加工綜合實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更加深入細(xì)致地學(xué)習(xí)金屬切削加工相關(guān)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、分析總結(jié)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到綜合訓(xùn)練的同時(shí)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生機(jī)械制造專業(yè)素質(zhì)得到有效提升，為我國(guó)裝備制造業(yè)輸送高水平專業(yè)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玥，張小奇.“三維啟六環(huán)施”教學(xué)模式在中職學(xué)校課堂中的教學(xué)設(shè)計(jì)——以金屬加工與實(shí)訓(xùn)課程為例[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（17）：252-253.

[2]賈娜，孫壯志，劉誠(chéng).通過“課程思政”培養(yǎng)學(xué)生工匠精神的實(shí)踐與探索——以“金屬切削原理與刀具”為例[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2020（05）：1-3.

[3]李麗偉.《金屬切削原理與刀具》課程教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].教育教學(xué)論壇，2018（28）：158-159.

[4]李雙青.《金屬切削加工方法與設(shè)備》課程的信息化教學(xué)實(shí)踐及改革思考[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（23）：281-282.

[5]史岳鵬，焦陽(yáng)，姬真真.研究引導(dǎo)型教學(xué)模式在應(yīng)用型大學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2021（04）：36-38.

[6]劉宇，別海楠.加工過程仿真技術(shù)在本科教學(xué)中的思考與實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2016（02）：59-60.

[7]孫瑩.基于《金屬切削加工方法與設(shè)備》課程的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（17）：224-225.