基于普銑與數控銑融合式工程訓練教學方法研究

張余益，陳遠洋，郭 巍，左 晶

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

機械制造實習是國內理工科院校培養學生工程訓練、工程素質的必修課。學生通過金屬工藝學理論課和實踐課的學習了解工業制造的歷史、應用與工藝。整個課程要通過一學期的理論課程加實踐并且通過最終的考核才能完成該課程，獲得成績與學分。在這一學期內學生會學習到工業制造中的不同生產制造設備以及它們的制造工藝，并且在每種制造工藝環節都會收獲不同工種的知識與技能。經過一學期的理論學習和實踐來提升對工業設計、工業制造等一系列有關工業發展的整體認知，并間接地完成工程文化素質的培養與提升。由于近幾年本科生課程越來越多，大部分課程學時也越來越被壓縮，很多課程都進行了不同的調整和精煉，所以機械制造實習課程也進行了相應的改革。

1 現狀背景

近年來由于工業生產的多樣性和專一性導致機械制造實習課程也跟著演變成了單種技能的模塊化訓練，甚至單種工藝的傳統制造和先進制造也淪為很古板的模塊化。例如：普通車床、數控車床、普通銑床、數控銑床、3D 打印、工業機器人、無人機等一系列的小模塊課程相繼而出。在學生機械制造實習的思想小結中可以頻繁地看到不同學生提出的意見：課程內容繁雜，工藝簡單，理論不系統等問題。為此很多院校又提出了多工種或跨工種的工程訓練方式并且進行了課改實驗。這種跨工種、跨學科的工程訓練模式確實提高了學生在工程訓練中的綜合能力和工程素養，并且在首次課改完成后也獲得了大部分學生的認可和點贊。但是跨工種的交叉融合式工程訓練需要投入大量的人力、物力和財力來預先完成整個項目的師資培訓和團隊建設，并且在此期間無論哪個工藝環節出現問題，都會影響整個項目式教學進度。對于剛剛接觸機械制造實習的學生來講，每個環節都存在著安全隱患，故此每個工藝單元都需配備有經驗的實驗輔導人員進行操作輔導并時刻保持警惕，防止出現任何安全問題。在經過一年多的課改和總結后，發現跨工種的交叉融合式工程訓練課程并不適用于低年級的短時間金工實習，而是更適合高年級學生的綜合型訓練課程。為了更好地培養低年級本科生對工業基礎認知和素養的提升，決定回歸初心，先從單一工種著手，探索進行單工種傳統制造與先進制造融合式工程訓練模式。

2 新課改構想設計

面向單種工藝進行全面工程訓練，深度挖掘單種工藝生產方式與制造范圍，而后匹配工業產品或生活中的應用型和輕奢型產品進行設計開發與制造。

應用型產品的生產和制造具有一定的規范性和統一性，可使學生認識到工業產品中的產品設計規范及技術要求等，例如標準件的不同規格都有統一參數，非標的特殊零件要基于標準件無法滿足技術要求的前提下進行合理的設計與應用。

輕奢型產品注重設計的巧妙與外觀造型的美好。此類產品對于現如今的社會具有很大的消費潛力和經濟利益，并且在產品的設計方面占有的比重非常之大，例如3C 產品與首飾品對于外觀造型設計及制造工藝的要求極高，人們甚至愿意降低對產品性能的期望而盡可能滿足外觀造型的極致美觀。

應用型產品的設計開發與制造非常有利于本科生基礎性工程素養的提升。輕奢型產品可以極大地發揮本科生的設計創新能力，在滿足技術要求的前提下充分展示和發揮自己的想象力，使本科生的創新思維得到實現與應用。

但是想要極大的發揮單種工藝對整體工程訓練的培養潛能并不是一件容易的事。它需要選擇適合單種工藝的目標載體，更需要完成目標載體過程的運作模式，二者缺一不可。選擇適合單種工藝的目標載體是決定單種工藝學習深度的關鍵因素之一，既要考慮單種工藝知識面的全面覆蓋性，又要在給定的學時內讓學生完成目標載體的設計與制造并且獲得該工藝的理論知識和技能。為此對近年來市面上具有創意并且能夠使用單種工藝生產完成的產品進行搜集、分析、整理，最終將目標載體暫定為Finger Spinner。

Finger Spinner 又名指尖陀螺，它是由一個雙向、多向的對稱體或等分體作為旋轉主體，在主體中嵌入一個標準軸承的設計組合，上下裝配上對鎖端蓋作為旋轉支撐零件，最終由主體、軸承、對鎖等部件整體裝配構成一個可在指尖旋轉的新型陀螺。在物理學上，陀螺是典型的用來描述物體動態平衡的高精度模型，在只受重力的情況下幾乎只有陀螺可以保證動平衡，所以它具有定軸性、進動性和陀螺效應等物理特性。有關專家介紹，陀螺轉體動作對于注意力不足癥和多動癥患者培養注意力有很大的推動效果，對于緩解精神壓力、戒除煙癮酒癮等非身理依賴性急癥也有一定的輔助作用，并且具有一定的趣味性。

由于指尖陀螺的特性和各零件的外觀造型都非常適合銑削加工工藝完成，所以選擇銑削工藝作為本次傳統制造與先進制造融合式工程訓練試點工種。依據清華大學工程訓練中心機械制造實習課程3 學分的教學模塊，銑削工藝學習所分配到的課程時間為12 學時。在12 學時內學生要學習銑削工藝知識技能，并且設計制造指尖陀螺。在整個過程中高校本科生要深入學習計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、傳統普通銑削工藝、先進數字銑削工藝及其他輔助鉗工工藝。結合這些輔助工具和制造工藝進行指尖陀螺的設計、制造、裝配和調試。

3 新課改規劃

本課程參考陀螺模型構成要素來創建學生團隊。陀螺模型由組織生命體（團隊各角色）、機會威脅平面（內外實際問題）、快速應變能力軸（頭腦風暴戰略群）、機制結構環（管理制度）和目標驅動力（完成目標載體）5 個基本要素構成，它們互相聯系，互為條件，互相作用，共同推動組織生命體的動態平衡發展。學生通過團隊協作，經過CAD、CAM、下料、普銑粗加工、數控銑精加工和裝配等環節完成該作品。

30 個學生劃分成6 個并行戰略組，每組5 名成員，每個并行戰略組以項目式的模式完成一套創意指尖陀螺的設計與生產制造，按照角色劃分組員，并且承接不同角色承擔的任務。

3.1 各角色的分配及功能職責

本次實踐學習將5 名學員劃分為3 種角色，角色和人員分配分別為：工藝員1 名，CAD/CAM 工程師2 名，制造工程師2 名（表1）。

表1 角色和人員分配明細

其中，各角色功能職責如下：

（1）工藝員：主要負責學習產品具體生產工藝，整合現有資源，利用現有的設備，以最合理，最有效，最經濟的理念來安排產品生產工藝順序，并且制作產品生產過程工藝卡片。同時，作為戰略組的Team-leader，有必要掌握整個戰略組每一位成員的進度情況和階段性心理思想活動。以便更好的管理整個團隊，在不發生任何意外的前提下，有效的完成本次課程內容和任務安排。

（2）CAD/CAM 工程師：主要負責學習產品的外觀造型設計，使用CAD/CAM 軟件完成產品造型的工程圖以及必要的數控程序；根據實際情況設計產品造型和設定加工參數；并且要與制造工程師進行產品從設計到制造的文檔交接和設計說明。

（3）制造工程師：主要學習普通銑床和數控銑床的基本操作，能夠按照工藝員工藝卡上的安排完成產品的實際生產制造；區分普通銑削工藝和數控銑削工藝，熟練掌握兩種制造工藝的基本原理和應用方法；了解毛坯裝卡方式，刀具各類型號；與CAD/CAM工程師交流設計要求，獲取并上傳文檔程序；熟練掌握測量零件的幾種常用工具，如游標卡尺，內徑千分尺，高度尺等。

3.2 協同組的分配

每組的角色組成一個協同組，也就是由3 個角色組成3 個協同組（表2），協同組內互為條件，相互作用共同協作完成各自承擔的任務。

表2 角色協同組明細

3.3 規劃的實施

課程時間安排見表3、表4。

表3 第一天的課程時間安排

表4 第二天的課程時間安排

教材及考核辦法如圖1、圖2 所示，制造工藝過程如圖3～圖8 所示。

4 結束語

普銑制造工藝與數控銑制造工藝融合式工程訓練方法的主角始終是學生自己，學生能夠在老師指導下創建自己的項目團隊，設計合理的制造工藝。所有的產品設計、工藝過程、生產制造等過程都是由自己的項目團隊協同完成，并且在先進制造無需人力的過程中還可以進行互為條件，互相傳授自己所學技能給戰略小組隊內成員，使得知識收獲與掌握更為順暢。團隊內的同學進行頭腦風暴式集思廣益，各抒己見，民主投票，最終確定設計方案，意見達成統一。所有任務進行明確分工，落實到每個學生身上，做到責任明確，增強學生的責任意識，團隊角色的具體劃分，自身對團隊的付出價值明顯提升，整體提升學生課堂參與度。

圖1 教材

圖2 考核辦法

圖3 造型設計

圖4 自動編程

通過在本科生的機械制造實習課程中引入普銑制造工藝與數控銑制造工藝融合式的工程訓練教學方法，使學生更系統的掌握產品的制造過程，提升學生對工程制造的系統認知，可以大大提高學生的綜合工程應用能力。

圖5 鋸床下料

圖6 普銑粗加工