基于普铣与数控铣融合式工程训练教学方法研究

张余益，陈远洋，郭 巍，左 晶

（清华大学基础工业训练中心，北京 100084）

0 引言

机械制造实习是国内理工科院校培养学生工程训练、工程素质的必修课。学生通过金属工艺学理论课和实践课的学习了解工业制造的历史、应用与工艺。整个课程要通过一学期的理论课程加实践并且通过最终的考核才能完成该课程，获得成绩与学分。在这一学期内学生会学习到工业制造中的不同生产制造设备以及它们的制造工艺，并且在每种制造工艺环节都会收获不同工种的知识与技能。经过一学期的理论学习和实践来提升对工业设计、工业制造等一系列有关工业发展的整体认知，并间接地完成工程文化素质的培养与提升。由于近几年本科生课程越来越多，大部分课程学时也越来越被压缩，很多课程都进行了不同的调整和精炼，所以机械制造实习课程也进行了相应的改革。

1 现状背景

近年来由于工业生产的多样性和专一性导致机械制造实习课程也跟着演变成了单种技能的模块化训练，甚至单种工艺的传统制造和先进制造也沦为很古板的模块化。例如：普通车床、数控车床、普通铣床、数控铣床、3D 打印、工业机器人、无人机等一系列的小模块课程相继而出。在学生机械制造实习的思想小结中可以频繁地看到不同学生提出的意见：课程内容繁杂，工艺简单，理论不系统等问题。为此很多院校又提出了多工种或跨工种的工程训练方式并且进行了课改实验。这种跨工种、跨学科的工程训练模式确实提高了学生在工程训练中的综合能力和工程素养，并且在首次课改完成后也获得了大部分学生的认可和点赞。但是跨工种的交叉融合式工程训练需要投入大量的人力、物力和财力来预先完成整个项目的师资培训和团队建设，并且在此期间无论哪个工艺环节出现问题，都会影响整个项目式教学进度。对于刚刚接触机械制造实习的学生来讲，每个环节都存在着安全隐患，故此每个工艺单元都需配备有经验的实验辅导人员进行操作辅导并时刻保持警惕，防止出现任何安全问题。在经过一年多的课改和总结后，发现跨工种的交叉融合式工程训练课程并不适用于低年级的短时间金工实习，而是更适合高年级学生的综合型训练课程。为了更好地培养低年级本科生对工业基础认知和素养的提升，决定回归初心，先从单一工种着手，探索进行单工种传统制造与先进制造融合式工程训练模式。

2 新课改构想设计

面向单种工艺进行全面工程训练，深度挖掘单种工艺生产方式与制造范围，而后匹配工业产品或生活中的应用型和轻奢型产品进行设计开发与制造。

应用型产品的生产和制造具有一定的规范性和统一性，可使学生认识到工业产品中的产品设计规范及技术要求等，例如标准件的不同规格都有统一参数，非标的特殊零件要基于标准件无法满足技术要求的前提下进行合理的设计与应用。

轻奢型产品注重设计的巧妙与外观造型的美好。此类产品对于现如今的社会具有很大的消费潜力和经济利益，并且在产品的设计方面占有的比重非常之大，例如3C 产品与首饰品对于外观造型设计及制造工艺的要求极高，人们甚至愿意降低对产品性能的期望而尽可能满足外观造型的极致美观。

应用型产品的设计开发与制造非常有利于本科生基础性工程素养的提升。轻奢型产品可以极大地发挥本科生的设计创新能力，在满足技术要求的前提下充分展示和发挥自己的想象力，使本科生的创新思维得到实现与应用。

但是想要极大的发挥单种工艺对整体工程训练的培养潜能并不是一件容易的事。它需要选择适合单种工艺的目标载体，更需要完成目标载体过程的运作模式，二者缺一不可。选择适合单种工艺的目标载体是决定单种工艺学习深度的关键因素之一，既要考虑单种工艺知识面的全面覆盖性，又要在给定的学时内让学生完成目标载体的设计与制造并且获得该工艺的理论知识和技能。为此对近年来市面上具有创意并且能够使用单种工艺生产完成的产品进行搜集、分析、整理，最终将目标载体暂定为Finger Spinner。

Finger Spinner 又名指尖陀螺，它是由一个双向、多向的对称体或等分体作为旋转主体，在主体中嵌入一个标准轴承的设计组合，上下装配上对锁端盖作为旋转支撑零件，最终由主体、轴承、对锁等部件整体装配构成一个可在指尖旋转的新型陀螺。在物理学上，陀螺是典型的用来描述物体动态平衡的高精度模型，在只受重力的情况下几乎只有陀螺可以保证动平衡，所以它具有定轴性、进动性和陀螺效应等物理特性。有关专家介绍，陀螺转体动作对于注意力不足症和多动症患者培养注意力有很大的推动效果，对于缓解精神压力、戒除烟瘾酒瘾等非身理依赖性急症也有一定的辅助作用，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观造型都非常适合铣削加工工艺完成，所以选择铣削工艺作为本次传统制造与先进制造融合式工程训练试点工种。依据清华大学工程训练中心机械制造实习课程3 学分的教学模块，铣削工艺学习所分配到的课程时间为12 学时。在12 学时内学生要学习铣削工艺知识技能，并且设计制造指尖陀螺。在整个过程中高校本科生要深入学习计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）、传统普通铣削工艺、先进数字铣削工艺及其他辅助钳工工艺。结合这些辅助工具和制造工艺进行指尖陀螺的设计、制造、装配和调试。

3 新课改规划

本课程参考陀螺模型构成要素来创建学生团队。陀螺模型由组织生命体（团队各角色）、机会威胁平面（内外实际问题）、快速应变能力轴（头脑风暴战略群）、机制结构环（管理制度）和目标驱动力（完成目标载体）5 个基本要素构成，它们互相联系，互为条件，互相作用，共同推动组织生命体的动态平衡发展。学生通过团队协作，经过CAD、CAM、下料、普铣粗加工、数控铣精加工和装配等环节完成该作品。

30 个学生划分成6 个并行战略组，每组5 名成员，每个并行战略组以项目式的模式完成一套创意指尖陀螺的设计与生产制造，按照角色划分组员，并且承接不同角色承担的任务。

3.1 各角色的分配及功能职责

本次实践学习将5 名学员划分为3 种角色，角色和人员分配分别为：工艺员1 名，CAD/CAM 工程师2 名，制造工程师2 名（表1）。

表1 角色和人员分配明细

其中，各角色功能职责如下：

（1）工艺员：主要负责学习产品具体生产工艺，整合现有资源，利用现有的设备，以最合理，最有效，最经济的理念来安排产品生产工艺顺序，并且制作产品生产过程工艺卡片。同时，作为战略组的Team-leader，有必要掌握整个战略组每一位成员的进度情况和阶段性心理思想活动。以便更好的管理整个团队，在不发生任何意外的前提下，有效的完成本次课程内容和任务安排。

（2）CAD/CAM 工程师：主要负责学习产品的外观造型设计，使用CAD/CAM 软件完成产品造型的工程图以及必要的数控程序；根据实际情况设计产品造型和设定加工参数；并且要与制造工程师进行产品从设计到制造的文档交接和设计说明。

（3）制造工程师：主要学习普通铣床和数控铣床的基本操作，能够按照工艺员工艺卡上的安排完成产品的实际生产制造；区分普通铣削工艺和数控铣削工艺，熟练掌握两种制造工艺的基本原理和应用方法；了解毛坯装卡方式，刀具各类型号；与CAD/CAM工程师交流设计要求，获取并上传文档程序；熟练掌握测量零件的几种常用工具，如游标卡尺，内径千分尺，高度尺等。

3.2 协同组的分配

每组的角色组成一个协同组，也就是由3 个角色组成3 个协同组（表2），协同组内互为条件，相互作用共同协作完成各自承担的任务。

表2 角色协同组明细

3.3 规划的实施

课程时间安排见表3、表4。

表3 第一天的课程时间安排

表4 第二天的课程时间安排

教材及考核办法如图1、图2 所示，制造工艺过程如图3～图8 所示。

4 结束语

普铣制造工艺与数控铣制造工艺融合式工程训练方法的主角始终是学生自己，学生能够在老师指导下创建自己的项目团队，设计合理的制造工艺。所有的产品设计、工艺过程、生产制造等过程都是由自己的项目团队协同完成，并且在先进制造无需人力的过程中还可以进行互为条件，互相传授自己所学技能给战略小组队内成员，使得知识收获与掌握更为顺畅。团队内的同学进行头脑风暴式集思广益，各抒己见，民主投票，最终确定设计方案，意见达成统一。所有任务进行明确分工，落实到每个学生身上，做到责任明确，增强学生的责任意识，团队角色的具体划分，自身对团队的付出价值明显提升，整体提升学生课堂参与度。

图1 教材

图2 考核办法

图3 造型设计

图4 自动编程

通过在本科生的机械制造实习课程中引入普铣制造工艺与数控铣制造工艺融合式的工程训练教学方法，使学生更系统的掌握产品的制造过程，提升学生对工程制造的系统认知，可以大大提高学生的综合工程应用能力。

图5 锯床下料

图6 普铣粗加工