面向“新工科”的机械微加工KAPI一体化训练研究与实践

黄根哲，于化东，许金凯，于占江

（长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022）

1 机械微加工KAPI 一体化项目的提出背景

“新工科”[l-2]理念不仅代表互联网和工业智能为核心意义上的“工科的新”，而且代表着传统工科专业交叉发展起来的“新的工科”。在“新工科”理念下诞生的机械微加工技术，是随着人们对许多工业产品的功能集成化和外形小型化的需求，得到了迅猛的发展，其特点是零部件尺寸日趋微小化，其功能是实现宏观机械无法完成的微小尺度下的功能。目前，这些微小零件的特征尺寸为 1～10 mm（介观）以及 1～1 000 μm（微观）。

在“新工科”理念下，一般本科院校机械类专业是以培养基础知识扎实、实践能力强，具有良好的思想品德和人文科学素养，有较强的创新意识、组织协调能力和团队精神，能在机械设计制造及其自动化领域从事设计制造、科技开发、应用研究等方面工作的复合型高级工程技术人才为目标[3-7]。因此，现代机械工程师胜任一线工作的基本条件是需要具备材料学、材料成型工艺、机械制造工艺学科等综合性知识以及解决多学科融合的工程复杂问题能力。但目前这些学科知识和能力培养的课程体系由不同行政单位的学院在不同学期独立开设，由此产生了理论教学与实验实习衔接不紧密、课程体系不完整、知识实践与能力培养缺少深度融合、知识难以转化成能力、实践教学条件不平衡等问题，造成学生缺乏系统的产品设计、制造的知识结构和能力结构[8-10]，传统课程设置存在的问题如图1 所示。

为此，提出了具有微加工特色，建立了交叉材料学、材料成型工艺、机械制造工艺学科KAPI 一体化的机械微加工训练项目，即“知识（knowledge）、能力（ability）、实践（practice）、创新（innovation）”一体化培养项目，部分地替代原工程材料与机械制造基础（金工）课程学习与机械制造实习（工训）两个环节。项目设计将“知识、能力、实践、创新”融为一体，训练时间为5～6 周。KAPI 一体化训练项目的目的是通过厘清工程实践教学的内涵和认知规律，使学生能够获得完整的产品制造知识，得到实践动手能力的锻炼，并通过工程训练实现知识向多种能力和素质的转化。

2 机械微加工KAPI 一体化项目的基本要求

在实训教师指导下，通过自主学习掌握金属切削过程中的4 大基本规律，建立机械微加工技术及产品的基本概念，了解先进的机械微加工技术及其应用范围，并借此理解微加工及其产品的机械制造过程，包括结构设计、材料选用、材料成形、材料改性、机械微加工工艺、安装调试等完整的产品制造技术，使学生学会编制工艺卡片，掌握使用数控车、数控铣、车工、铣工、钳工、材料铸造、热处理、各类常规工具和量具的选用等技能。KAPI 一体化项目的理论指导采用世界著名微制造专家Muammer Koc 主编的《微制造—微型产品的设计与制造》一书为基本的理论教材，要求学生对机械微加工过程中材料去除机理有较全面的了解，具有选择和应用不同机械微加工工艺的基本能力，能够通过相关微加工过程仿真工具，实现对机械微加工过程进行计算、预测以及工艺规划；要求学生了解机械微加工工艺技术理论和方法的最新发展趋势，进而培养学生在相关技术领域从事机械微加工工作和研究的能力；要求学生能够应用数学、力学、外语、计算机、自然科学和机械工程科学的基本原理，并通过文献分析，对机械微加工工艺过程中的复杂实际问题进行总结、表达、分析，并提出解决问题的具体措施；还要求学生能够就机械微加工中的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告、完成设计说明书、陈述发言，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通与交流[11-13]。

3 机械微加工 KAPI 一体化项目训练软硬件条件

我校精密制造及检测技术国家地方联合工程实验室长期从事微纳加工技术，针对国家重大工程项目需求，设计制造了双刀纵向微切削数控机床（见图 2）和平面沟槽微铣削数控机床（见图3），并相继开发了相关在位检测技术、补偿技术、激光辅助微车削技术等，其技术发明程度高，均有自主知识产权，主要技术指标与国内外同类产品相比具有较大优势。这些技术在一定的程度上改善了机械微加工 KAPI 一体化项目训练的软硬件条件，有效地培养了学生的机械微加工的实际能力。

图2 双刀纵向微切削数控机床

图3 平面沟槽微铣削数控机床

4 机械微加工KAPI 一体化项目训练创新性

4.1 加工工艺创新

针对单刀切削弱刚度、细长杆零件时的“让刀”现象，发明了双刀对称纵向切削方法并研制了双刀、纵切的微型数控车削机床。通过双刀对称布置，使径向“背分力”完全抵消，实现了弱刚度大长径比轴类零件的超精密加工（见图4）。另外，采用了机床主运动和进给运动一体化设计技术，并且基于 CCD 视觉精密测量及图像处理技术实现了双刀中心高精确对刀（见图5）。加工工艺创新为机械微加工KAPI 一体化项目的训练提供了比较有效的实践条件。

图4 双刀对称纵向切削消除径向背分力

图5 基于CCD 视觉精密测量及图像处理技术的对刀界面

4.2 加工方法创新

针对高硬度、高脆性、难加工材料，通过激光照射，改善了难加工材料的塑性和韧性，从而改善了加工性能，实现了碳化硅、钛合金等难加工材料棒材的复杂三维微小零件的精密微车削。激光辅助微车削难加工材料如图6 所示。加工方法的创新也为机械微加工KAPI 一体化项目的训练提供了较好的保障。

图6 激光辅助微车削难加工材料

5 机械微加工KAPI 一体化项目实训成果形式

5.1 微加工产品

通过机械微加工KAPI 一体化项目实训，实习学生能够完成以下微加工产品。

（1）长径比大于10∶1 无氧铜轴的微车削。建立微车削工艺路径，编制微车削加工程序，并对加工后的微细轴进行微观尺度测量，即利用光学显微镜对轴径、轴长、弯曲度进行测量计算。微车削加工工艺参数为：毛坯直径8 mm，长200 mm，主轴转速2×104r/min，进给 0.1 mm/s，切削厚度 5～20 μm。

（2）7075 铝合金表面沟槽的微铣削。建立工艺路径，编制微沟槽铣削程序，并利用光学显微镜对加工后的微沟槽进行沟槽宽度、深度、表面形貌测量。微加工沟槽尺寸参数为：宽100 μm，深度30 μm。微铣削加工参数：主轴转速1×104r/min，进给0.3 mm/s，铣削厚度 5～20 μm。

5.2 微加工总结报告和测试报告

利用微车削车床和铣床，对金属材料进行微车削、微铣削加工，确定最佳加工参数，编制加工程序，并要求实习学生完成如下报告。

（1）总结报告。介绍产品涉及的主要知识点、实践训练环节、创新点、核心知识获取及能力达成情况、收获及感悟。

（2）测试报告。测定加工后无氧铜轴的直径和长度，确定其加工精度、圆柱度、直线度，评定微细轴的表面粗糙度。

6 学生机械微加工 KAPI 一体化项目训练后的产品展示

通过KAPI 一体化项目训练，学生有了明确的学习目标，围绕如何加工出高径比更大、加工的轴更微细、加工的沟槽更窄这一要求，学生不断拓展知识空间和能力空间。例如，为了进行微细轴加工，学生不仅学习使用传统碳化钨（WC）硬质合金刀具的加工原理，而且为了达到微米直径轴类和沟槽加工，需要通过对微切削和微铣削机理的研究，开发出单晶体的微纳米级的金刚石单晶刀具。这就要求学生通过学习材料学的不同晶面、不同晶向的软硬取向，懂得典型晶体结构中不同晶面的耐磨性差异，从而选择不同的晶面和晶向作为微车刀的前刀面、后刀面、侧刀面以及主切削刃、副切削刃，实现工程材料学知识、机械加工知识、解决工程复杂问题能力以及创新为一体的KAPI 项目学习和训练。此外，在一般情况下，宏观加工时机床电机引起的振动对加工精度和表面光洁度的影响在微米级，因此基本能够满足精度和光洁度的要求。但是在以纳米尺度要求的微小零件加工过程中，因其加工精度和表面光洁度与加工尺度基本在一个数量级上，所以在机械微加工时必须考虑微小机床振动对加工精度和表面光洁度的影响。这就要求学生掌握振动的产生机理、振动传播和阻尼的影响规律。因此，要求学生具有物理学、金属学基础知识，并通过知识、能力、实践和创新的一体化培养过程，掌握振动对微纳加工的影响。

图7 为学生通过机械微加工KAPI 一体化项目训练后加工出的微细轴，其轴的长度为 950.95 μm，轴的顶端直径为127.08 μm，轴的根部直径为127.04 μm，实现了微细轴的加工。图 8 为学生通过机械微加工KAPI 一体化项目训练后加工出的7075 铝合金微细沟槽，其沟槽深度为50 μm，宽度为200 μm，实现了微细槽的加工。

图7 学生加工出的微细轴

图8 学生加工出的7075 铝合金微细沟槽

7 结语

微切削和微铣削过程与传统加工不同，当微切削和微铣削刃的钝圆半径接近切削厚度时，尺寸效应越来越明显，切屑形状上多以崩碎状切屑为主。微细轴类加工0.2 mm 直径以下的轴类时，肉眼已不能很好地辨认轴的加工状态，这时就需要选用机床自带的可视化对刀加工监控软件，检查、确认当前轴的加工尺寸。因此，微车削或微铣削的训练过程能够集学生的材料学知识、毛坯成形工艺、微加工过程于一身，对其知识、能力、实践、创新综合培养起到积极作用。通过机械微加工KAPI 一体化综合训练过程，有效促进了学生将所学知识向能力转化。