基于大学生创新能力培养的线切割实训教学研究

杨 春, 戴明华, 刘海龙

(大连理工大学 工程训练中心,辽宁 大连 116023)

中共中央国务院《关于深化教育改革,全面推进素质教育的决定》指出“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神,普遍提高大学生的人文素养和科学素质”[1]。大学生创新能力培养必须以获取知识为基础,以提高素质为核心,以发展创新能力、培养创新精神为最终目标[2-3]。长期教改实践表明,在高等工程教育中,工程实践是培养学生实践能力和创新精神的最好课堂[4]。

我校工程训练中心是国家级实验教学示范中心。为配合学校高水平人才培养,为社会提供高层次、高素质的人才,工程训练中心引进先进教育理念,秉承“教育回归工程,教学回归实践”精神,坚持“以创新教育理念为指导,教改先行,建设适应时代发展要求的一流工程实践教学基地”的指导方针[5],注重对学生工程综合能力的培养,取得了多项国内领先成果。

1 线切割实训在创新教育中的重要性

数控电火花线切割是集特种加工技术和数控加工技术为一体的先进制造技术[6],是一门快速发展的新兴学科，它集机械、电子、计算机控制、通信技术为一体,是一门多学科交叉、知识面广的机电一体化学科。通过这门课程的工程实训,学生可以广泛接触到机械加工工艺、机床制造技术、计算机控制技术、计算机编程技术、检测技术等先进制造技术,锻炼动手能力,为以后的理论学习和创新能力培养打下基础。

1.1 能够培养大学生的实践能力和创新精神

马克思理论指出,创新源于实践,始于问题,缺少了实践的创新,只是无源之水,无本之木。因此,要培养大学生的创新能力,必须加强大学生专业相关技能的实践教学,提高大学生的动手实践能力[7]。

当前,社会在人才培养方面出现了一些偏颇,表现在重视课堂教育、轻视实践教学，重视学历培养、轻视能力培养。学生习惯了听教师讲定理、讲例题、做配套习题,而对零件的实际加工过程缺乏基本的知识储备。针对这种情况,在实践教学过程中注意加强每一个学生实践能力的锻炼，改变原来在机床控制器上模拟操作的教学方式,尽量让每一个学生都动手进行实际操作,训练他们的加工技能,从而实现动手实践能力的提高。严格监督学生的行为规范,要求实训小组学生都要积极参与实践,避免出现一个人操作大家围观的现象，并鼓励学生自主化、个性化的设计加工,培养创新意识和创新精神。

1.2 能够培养大学生的创新思维

创新能力的培养，关键在于创新思维的训练[8]。

首先要培养大学生边实践边思考的习惯。在机床切割过程中,组织学生认真观察机床加工过程,研究机床的运动规律和现象,并适时根据学生所学专业知识提出相关问题,激活学生的思维,并适当地让学生开展讨论。比如针对自动化专业的学生,组织他们注意观察快走丝线切割机床绕丝桶自动换向装置,并要求他们回答该装置的自动换向原理。

其次,在教学过程中,除了重点对学生进行加工原理、机床结构、加工操作等基本教学内容进行讲解外,还把各学科之间的关系进行关联教学,使学生看到并明白各学科之间的相互关系[9],实现联想的学习,有意义的学习。例如,在电火花深小孔工程训练讲解过程中,着重讲解深小孔创新加工技术,把创新的焦点聚集到火花放电产生的电蚀物排出方式上,主要介绍的方法是“移置技术”创新设计法(原理如图1所示)。利用喷水出口产生的压强,去除周围物质这一自然现象,移置到电火花深小孔加工机的设计中：把传统的实心电极改造成管状电极,高压的放电加工液通过电极中孔喷射到小孔的底部放电区域,能把深孔中不导电的电蚀物冲出来,恢复介电性能,顺利完成深小孔放电加工[10]。

图1 电火花小孔加工原理图

2 在实践教学中培养学生实践创新能力

2.1 针对机类大学生,开设二维创新线切割课程

为了提高机类大学生实践创新能力,对大学二年级学生开设了为期3周的AII实践训练课程,其中线切割实训模块的教学时长为1天,用于开展 “二维创新线切割”加工实训[11]。模拟真实的工程实际环境,利用CAXA线切割编程软件编制被加工零件的程序,并在中心提供的4台DK7725快走丝线切割机床上切割加工出自己设计的零部件。从二维零件设计到数控程序编制再到线切割机床加工,都是由学生自己动手完成,注重学生自主性和创新性的培养。学生有疑问可以随时请教指导教师,但还是以学生互学互教为主,训练学生掌握各种软件的使用和机床的操作,提高学生的创新意识和实践创新能力。

2.2 开展教学改革,使线切割实践教学更贴近实际

针对学生热衷于利用线切割机床切割加工漂亮图形、卡通图案,忽视机床实际用途和加工范围的实际情况，申请了我校教改项目 “机类大学生线切割加工教学改进与新方法初探”(YB2017040)。在项目实施过程中,利用展板、视频课件、加工样件等形式向学生强化讲解线切割加工主要是用于加工各种冲模、凸轮、样板等形状复杂的精密零件的事实。

同时在加工中提供典型机械零件图纸,训练学生按图纸尺寸开展编程技术,按零件基准进行装夹、找正,以保证加工零件的形状公差和位置公差。从而培养学生“精密制造”的理念和意识,为他们后续参加创新竞赛,加工制作出优秀的实际零部件打下基础,提高学生综合能力。

2.3 在教学过程中使用“案例教学法”引导创新

“案例教学法”是通过对一个具体教育情境的描述,引导学生对这些特殊情境进行讨论的一种教学方法。有利于学生创新思维能力、观察能力、分析和解决实际问题能力的培养[12]。

例如,在讲解电加工机床结构时,通常让学生观察快走丝线切割机床的滑动导轨,提示学生滑动导轨采用面接触,摩擦力比较大。在另一台改进型电加工机床观察到V型滚柱导轨,指明该机床V型导轨滚动体和导轨表面是线接触,摩擦力大幅降低,适合电加工机床使用。高档线切割机床普遍采用高精度线性导轨[13],导轨滑块中装有4列高精度滚珠循环运动,为工作台提供支撑。滚动体和滑块之间点接触,进一步降低了摩擦力。

通过对线切割机床导轨技术发展的剖析,让学生明白这个演变过程就是导轨摩擦力由大到小、机床工作台运动精度由低到高的变化过程。随着技术的发展,这种变化还会继续下去。举一反三,此时再同步设置一个创新问题,让学生思考如何改进旧型号的线性导轨(如图2所示)滚珠之间的摩擦损耗和撞击损伤。学生充分思考和讨论后,教师再给出日本THK公司的解决方案：在滑块滚动体之间加上聚四氟乙烯球间隔保持器,把滚动体分隔开(如图3所示)。由于聚四氟乙烯具有自润滑性,能有效减少摩擦,创新地解决了滚动体摩擦和撞击产生噪音及表面凹坑的问题。

图2 第一代线性导轨

图3 带球保持器线性导轨

3 加强实验室建设,提升学生实践创新能力

3.1 利用先进加工设备,展示当代前沿技术和知识

工程训练中心建设10多年来,得到国家和学校各方面大力支持,先后增添了5台代表国际最新技术的电火花线切割加工设备(如表1所示)。

表1 引进的先进设备统计表

通过这些设备的介绍和使用,让学生充分了解了线切割等放电加工领域的前沿技术和知识,大大开阔了学生的视野,激发了他们对新科学、新技术的兴趣,培养了他们的实践创新意识和精神,收到了教学质量和资源利用率双提高的效果，培养了学生严谨的科学实验作风,启发、引导他们能够更加充分地发挥自己的创造潜力[14]。

3.2 开展线切割加工培训,支持大学生科技竞赛

全国大学生工程训练综合能力竞赛是一项综合性赛事。各校参赛队伍都会利用自身优势,设计制作作品,参加竞赛。

为了使学生安全、优质、顺利地制作完成自己的参赛作品,多年来坚持举办各种加工技术培训班,“线切割创新技术加工培训”就是其中一种。在培训过程中,不但教会学生熟悉线切割机床的结构,还帮他们分析机床容易出现故障的原因和处置方法,培训他们CAXA线切割自动编程软件的使用技巧及线切割机床加工的高级操作。

学生通过接受培训,能够更加熟练地操作机床,从而有更多的时间和精力聚焦到作品的创新设计上,以便制作出更加优秀的作品去参加各种大学生创新竞赛。近年来,工程训练中心的机械创新班学生,在参加各类大学生竞赛中获得了非常好的成果，共取得国际、国家和省级各种竞赛奖励80多项,一等奖25项(国家级21项)。

3.3 建立开放平台,支持大学生创新实践活动

为了支持大学生创新实践活动的开展,工程训练中心建立了开放的快走丝线切割机加工平台,利用原有的线切割机床,配备专用编程电脑和CAXA线切割编程软件,用于项目选手在课余时间开展零部件的切割加工。为了方便学生使用,指导教师准备了图文并茂的线切割机床和深小孔加工机床的开机操作流程,以及相关的机床加工技术资料；提供充足的电极丝和清洁的工作液,调节好参数,保证机床处于最佳的工作状态，让学生在开放的线切割加工平台自主使用机床加工参赛作品的零部件时,得心应手。很多学生参赛作品的零部件都是在开放平台加工完成的,图4所示零件是学生加工好的“无碳小车”齿轮传动机构。

图4 无碳小车齿轮传动机构图

3.4 改进设备,研究适合大学生创新加工的工艺

在大学生各类创新竞赛作品加工中,学生经常选用厚铝板进行线切割创新加工。由于快走丝线切割机床在切割厚铝板时,电极丝会对导电块放电,产生“烧导电块”故障,造成切割零件报废[15]。

为了更好地服务于大学生创新,改造了线切割导电块结构,将原来的硬质合金导电块摩擦进电改为滚动轴承滚动接触进电,有效避免了上述故障的发生，还研究改进了厚铝板材料线切割加工工艺：调整合适放电参数,适当减小跟踪进给速度,更换清洁放电加工液。通过采取以上措施,学生基本上能顺利切割加工出自己满意的作品,参加各项大学生创新竞赛。

4 结语

线切割实训是高校工程训练实践教学的重要组成部分,在大学生实践能力的提升、创新意识的培养和创新思维的历练中具有不可替代的作用。高等学校的工程实践教学只有不断地创新才能办出自己的特色,在竞争中处于有利的地位。为培养21世纪杰出、创新型

人才,必须更新教育思想和教育观念,探索新的教学模式，锻炼学生的动手实践能力,培养学生独立思考能力和创新能力,促使学生学会主动、积极、全面地运用自己所学知识解决实际工程难题[16]。