仿真技术在车削加工实践课程教学中的应用

芦静，刘杰，杨卫军，郝欢

（火箭军工程大学，陕西 西安）

一 引言

虚拟仿真亦称为模拟技术，它是利用相似原理，建立研究对象的模型，如形象模型、描述模型、数学模型，并通过模型间接的研究原型规律性的方法。它广泛应用于武器系统设计、制造、鉴定、诊断、训练以及军事学习、作战管理等方面，并推广到国民经济的各个领域[1]。虚拟技术自20世纪初已有了初步应用，正在成为继理论研究和实验研究之后的第三种认识和改造客观世界的重要方法[2]，是一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。它主要是对现实真实情境的技术进行模仿，构建出一个完整的虚拟场景，具备沉浸性、交互性、虚幻性和逼真性。

在科技高速发展的今天，数字化程度越来越高，虚拟仿真技术应用越来越广泛，并且逐步应用在工程类实践教学中，受到广大师生的欢迎，成为教学过程中非常重要的教具之一[3-7]，尤其是机械工程实践教学，其发展应用具有非常重要的意义[8-12]。比如普通车削加工，是我国理科高校的重要专业教学环节，该环节危险系数高，实践操作性强，教学过程中非常注重学生动手实践能力的培养，具有高标准专业化特点，必须要有专业知识、专门的车床才能操作，这部分的教学实施对我国生产制造业的人才培养有非常重要的作用。虚拟仿真技术在车削加工实践中的应用，就是模拟实际的加工环境、加工过程和加工情况，通过计算机系统，利用软件科技，搭建一个虚拟的加工系统和加工环境，允使学生进行仿真练习。利用虚拟仿真技术可以大幅提高初学者的操作安全，同时让学生身临其境，切身理解、掌握车削操作原理，解决了初学者安全规范操作的问题，激发了学生对机械实践操作的积极性，为教师教学提供便利条件，为提高实践教学效果提供有力保证，为学生就业履职奠定良好的基础。

笔者根据本校开展的机械基础实践课程，针对车削加工工艺模块，结合仿真软件，用Flash动画将机械基本知识、车削基本加工方式、加工实例等呈现在屏幕上，形象、直观地呈现出车削加工基本知识、车床主要结构、加工过程和实际应用，使复杂的设备运行过程和整个实践过程生动易懂。结合仿真软件的自主练习，配合真实的实践操作，达到知行合一，从理论到实践，提升学生学习的兴趣，加深学生对机械基本实践操作的理解与记忆，同时提高了课程安全质量。将仿真软件应用于教学，收到了良好的教学效果。

二 车削加工基础知识仿真在课程教学中的应用

车削加工基础知识主要包括车床的基本结构、车床主要附件、车刀的种类和功能以及车削的基本过程。各知识点相对独立又相互联系，通过课堂的理论讲解与课下自主学习，加强学生利用课余时间自主学习的兴趣，加深对基础知识的理解与掌握。

车削基础知识与动画、仿真的有机结合，既能促进学生对机械基础实践理论知识的理解，又能自然地将这些知识应用到车削的基础实践中，促进实践技能的快速学习、掌握。例如车床的基本结构，学生可以通过仿真模型建立起与真实设备之间的联系，通过主要结构的模块化介绍，如图1，了解车床的主要结构，加深对车床结构的整体印象。

图1 车床的主要结构

三 车削加工过程仿真在课程实践教学中的应用

车削加工的应用如图2所示，基本应用包括车削外圆、端面、锥面、切槽、钻孔、车螺纹、铰孔、镗孔、滚花、倒角和车成型面多种形式，每种加工方法运用的刀具不同，切削过程中刀具的轨迹线及受力情况都不同，这些内部原理的变化与技术特点，即使现场示范，也只能看到表象，不易理解整个切削过程中各因素之间的相互作用。为此，以此为基础，在各加工应用中开发了加工仿真板块，该板块主要用来仿真具体的加工过程，以及加工过程中刀具作用线、受力情况，使微观过程放大显现，学生更易理解整个切削加工过程，进而了解各切削要素之间的相互影响作用。图3展示了粗车外圆的仿真过程，图4为精车外圆的仿真过程，通过对比分析，对于粗、精车外圆的进到量、切削速度、表面光洁度，学生都能够有直观的了解。图5为切断刀切削过程与外圆车刀加工的对比分析，通过仿真对比，学生对各加工过程认识更加直观，对刀具的结构特征和使用方法有了更清楚的认识。能够有效弥补课堂教学过程中只停留在设备外观的不足，提升学生对加工过程更深层次的理解。

图2 车削加工的应用

图3 粗车外圆的仿真过程

图4 精车外圆的仿真过程

图5 切断刀切削过程与外圆车刀加工的对比分析

四 仿真操作在课程实践教学中的应用

机械加工教材对于车削加工中工艺基础理论介绍得很详细，而对于设备的实际操作方法提及的不是很多，因此，仿真操作模块正好弥补了这方面的不足，其中主要包括自动演示和手动操作两个板块。

图6 车床仿真操作系统

进入自动演示模块，首先系统按照指定程序进行车床各部位功能自动演示，设备通电、开机，车床横向进给、纵向进给、进刀、退刀、主轴旋转、暂停、反转、开合螺母的使用以及尾座的前进与后退、刀架的旋转、急停和设备关机断电等系列功能操作演示，通过自动演示过程，学生可以明确车床各部分的主要功能。

手动操作是继自动演示之后，学生自主学习车床操作方法。首先，学生可以对车床各功能区进行分部练习，熟悉车床各部分区域功能，结合相应结构部位的文本解释，把理论部分与实践部分有机结合，提高了学生对整个车削加工理论与实践的有效融合。其次，通过严格的车削加工工艺流程仿真练习，熟悉车削加工的基本操作规程，掌握各种车削加工方法，作为实践操作的预热阶段。

五 工程案例仿真在课程教学中的应用

在实际加工过程中，各种加工方法都是综合运用的。案例仿真能将整个零件（产品）的综合加工通过虚拟仿真实现。在此模块中，制作了以课程加工为案例的两个产品仿真加工。学员通过点击案例，提取相应坯料，进行仿真操作，从制定工艺到抓夹工件、调整车床参数再进行仿真车削加工，整个操作流程严格按照实践操作规范进行。达到练习目标后，再进行实际操作，有效地保障了初学者学习使用车床的安全性。

图7 仿真案例应用

六 结语

本仿真软件在windows系统中独立运行，能够实现对几种车削加工工艺的高度仿真操作，具有很强的通用性，可以反复观看、仿真操作，便于学生化解难点、自主学习，增加学习的趣味性，提高学习效果，在工程实践练习中获得了学生一致的好评。虚拟仿真技术在车削加工中的应用有效地提高了车床的工作效率，延长了车床使用寿命，对车削加工技术的广泛应用起到了促进的作用。