基于OBE教学模式的切削力测试开放实验项目设计与实践

杨 钢

(重庆交通大学 工程实训中心，重庆 南岸区 400074)

基于学习产出的教育模式(out comes based education，OBE)强调“教育产出”(学生学到什么)，而非 “教育输出”(教师教了什么)[1]。因此，为培养具有工程创新意识和团队协作能力的综合性人才，必须对现有实验模式进行改革，以产出为导向的切削力测试实验，将给学生更多的自由度，使学生带着自己设计的目标去解决问题。

机械设计制造及其自动化专业是重庆交通大学机电学院的特色专业，“金属工艺学”是该专业的一门专业基础课，在第三学期开出，有46学时的理论课，虽然开设了相关实验课和工程训练，但切削力测试实验由于没有实验条件，只能进行虚拟实验[2－3]。而该实验具有很强的应用实践性，从本科三、四年级学生的各类学科竞赛作品制作效果来看，由于对切削力没有足够的认识，导致加工效果不理想，而又不知道原因何在，更谈不上如何解决。如果将这个项目设计成综合型实验，由于所涉及知识点较多，学生需要做大量的对比实验才能分析出结果又会导致时间不够，因此，将其设计成开放实验才能让学生静下心来学习如何发现问题和解决问题，为培养学生的工匠精神提供一个良好的平台[4－6]。

该实验的前期应开展如下实验项目:1)刀具几何角度的测量；2)工程训练即金属工艺学实习中的车工实习 (学校机械设计及制造专业的实习时间为4周，其车工的内容必须包含车刀的刃磨环节)；3)传感器实验。除此之外，金属工艺学和机械制造技术基础[7]的理论课必须先修。

目前，对切削力测试的仪器种类主要有电感式、电容式、电阻应变式以及压电测力仪等。综合各方面情况，学校在2013年国家下拨的专项资金支持下，引进了大连理工大学开发研制的YDC－Ⅲ89A型压电式车削测力仪，该仪器是目前国内唯一处于领先地位，而且在国际同类产品也处于先进水平的测力仪。[8－11]

采用该仪器不仅能使学生掌握这一检测技术手段，拓宽学生的知识面，并通过对实验数据处理、分析和比较，使其能深刻理解影响切削力的各参数对切削力和加工过程的影响[12]。

1 切削力测试目的与原理

1.1 目的

1)了解压电式车削测力仪的工作原理与相关性能指标，掌握其正确使用方法；

2)进一步熟悉车床的操作过程和安全注意事项；

3)掌握单因素实验方法，在对比实验数据后能建立切削力的经验公式；

4)通过实验结果的比较和分析，找出影响该结果的主要因素，并提出解决方案。

1.2 压电式车削测力仪的工作原理

压电式切削测力仪结构如图1所示。该测力仪与普通车刀结构相似，只是在车刀体的内部装配了一个三向压电石英力传感器。它不仅具有高刚度、高灵敏度、线性良好等静动态特性，而且结构简单、小型轻便，可方便地装在车床的刀架上，从而及时准确地测出三向静动态切削力。

压电式切削测力仪采用压电石英力传感器作为力－电转换元件，一般是常用 “正压电效应”原理制成的，如图2所示。

图1 压电式切削测力仪结构图

图2 压电石英三维力传感器结构图

2 项目设置与实验步骤

2.1 项目设置

由于金属材料的种类较多，根据生产中通用的材料，如碳钢(Q235、45号钢)、合金钢(40Gr、20 CrMo)、铸铁(HT200、QT400－18)、有色金属(6061铝合金、H62黄铜)，建议让每组学生选择1种材料，每组至少选择3个单一因素，每个单一因素至少测量10组数据进行实验。各组以3人为单元，一人负责操作车床，一人负责记录数据，一人负责组织协调和安全监督。由于每次开放实验人数和每组思考与解决问题方式的不一致，学生也可自己选择如何配置，并给出配置的理由，同时设计出实验的步骤与方案，并给出论证报告。

2.2 实验步骤

1)建立切削力经验公式。

首先通过车削演示实验让学生分析影响切削力的各种因素，列出函数关系:

然后让学生分组，用单因素法自行选取不同因素为研究对象，讨论并写出实验步骤交给指导教师审核并讨论方案的可行性。

2)确认各项安全措施、相关人员和工量具到位；检查和调试车床，使其各项功能正常；正确安装和连接测力仪、刀具和工件；进入测力仪系统，按照说明书进行各项参数的填写与系统调试；最后，根据预先的实验计划按步骤地进行测试，并及时记录数据。

3 结果及分析

3.1 数据测量

通过压电式车削测力仪，可以采集不同工况下的切削力。限于篇幅，只记录了45号钢在设定的情况下所测量的切削力。其中一组学生自行设计的表格如表1～表2所示，其中，表1为背吃刀量取最小和最大所测量的数据(中间的数据省略)；表2为进给量取最小和最大所测量的数据(中间的数据省略)。在实验过程中为便于分析和减少误差，一般会要求学生至少采集10组数据。

3.2 根据测量情况进行数据分析

限于篇幅，上述4组数据的图像，如图3～图6所示。

表1 单因素(背吃刀量)实验数据记录表

表2 单因素(进给量)实验数据记录表

图3 n=320，f=0.16，ap=0.4时，切削力最大点位置

图4 n=320，f=0.16，ap=2时，切削力最大点位置

图5 n=320，ap=1.2，f=0.06时，切削力最大点位置

3.3 建立经验公式

根据前面的实验数据可在软件中建立相应的经验公式，如图6～图8所示。

图6 背吃刀量与切削力的关系式

图7 进给量与切削力的关系式

图8 背吃刀量和进给量与切削力的综合关系式

3.4 数据的比较与归纳总结

将上述建立的经验公式和工具书所查资料进行对比，即可验证数据的正确性，同时，也可看出各系数间存在一定误差。通过回顾实验过程和仪器设备的状况，可让学生分析误差存在的原因和对应的解决措施，并形成实验报告。

4 教学引导

切削力在生产过程中对加工效率、加工精度、刀具寿命等方面均有较大的影响，各个国家针对不同材料，为达到不同切削过程的目的，均展开了大量的实验分析研究。为了让学生深刻理解切削力对加工过程的影响，在课程开始阶段，就通过几个典型的案例分析(如细长轴在车削过程因切削力的影响而发生的变形情况；大余量车削外圆过程中，因切削用量选择不合理而造成的刀具寿命降低等)进行现场加工操作和实时测量，引导学生发现其中的问题所在。

而如何解决问题，则通过知识点的引入和引导学生查阅相关文献资料，让学生自行设计实验方案并通过相互之间以及与教师之间的讨论等措施，使其养成在做中学、学中做的习惯，达到知识的循环积累和在失败中不断归纳总结的目的。

表3 实验项目设置一览表

5 结束语

所设计的开放实验项目首次应用于我校的机械设计及制造专业4～5学期的学生，开放人数远超预期。经过为期10学时的开放实验训练 (实验项目设置如表3所示)，学生不但掌握了用压电式车削测力仪在车削过程中切削力如何测试，而且用自己设计的实验方案所得出的结论回答了实验前的疑问。更重要的是，学生在实验过程中始终保持孜孜不倦的求索精神，并深刻体会到了养成严谨的科学作风 (如实验的前期准备工作，实验数据的归纳与整理对结果的影响)的重要性，并体会到通过辛勤劳动而获得成果的喜悦。

该项实验取得了较好的教学效果，得到了学生和学校教务处认可和好评。但是，还存在以下2个需要完善的问题。

1)目前只针对车床开展了切削力的测试，而对于铣床、磨床等金属切削加工机床限于没有测量仪器设备而未开展；

2)目前仅针对部分典型材料进行实验，而对于一些难加工材料还没有涉及，需要后期进一步拓宽应用领域，在服务于教学的同时也为科研积累部分数据。

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