金属切削加工综合实验方案探究

赵海宁

摘要：金属切削加工在机械制造专业人才培养体系中具有非常重要的作用。文章深入探讨了金属切削加工综合实验开设的必要性，并对教学方案的实验内容、测试方法及分析技术进行了研究，最后对整个教学过程进行预演和评估，希望能对机械制造类专业课程建设和改革提供一些参考。

Abstract： Metal cutting plays a very important role in the training system of mechanical manufacturing professionals. This paper deeply discusses the necessity of setting up the comprehensive experiment of metal cutting， and studies the experimental content， test method and analysis technology of the teaching scheme. Finally， the whole teaching process is previewed and evaluated， hoping to provide some reference for the construction and reform of mechanical manufacturing professional courses.

关键词：金属切削加工;综合实验;方案;拓展

Key words： metal cutting;comprehensive experiment;scheme;development

中图分类号：G642.0                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）15-0242-02

0  引言

金属材料的加工与运用对人类社会的进步起到了至关重要的作用，尤其是工业革命以来，金属切削加工始终是工业发展的重要内容和物质基础，时至今日，在机械制造中仍占有很大的比例。金属切削加工要具备三个基本条件，即刀具具备切削性能、刀具具有适当的几何参数和刀具与工件间有相对运动，这就需要机床、夹具、刀具和工件构成一个切削加工系统，而切削过程的各种现象和规律都要在这个系统的运动状态中去探究，随着科学技术的不断进步，切削加工技术也有了很多突破和发展，加工质量和生产效率得到了大幅提升，加工成本也有效降低，这其中金属切削原理与刀具基础理论的研究工作起到了至关重要的作用[1]。因此开展金属切削加工综合实验，让学生更加深入细致地学习金属切削加工相关知识，可以更好的培养机械制造专业高端人才，为我国的装备制造传统产业结构调整、先进制造技术水平提升服务[2]。

1  金属切削加工类实验教学现状

金属切削加工类实验一般为机械制造技术基础的课内实验，是机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业必修内容之一，一般设有车刀标注角度的测量和车削力的测定及经验公式的建立两个实验项目，每个实验项目都有相应的实验目的与要求（见表1）。

两个实验是金属切削加工类实验的基础，可以让学生初步掌握金属切削实验的基本方法和技能，同时对有关测量仪器及实验数据的处理有一定了解，但是对于切削加工系统中同等重要的因素（如车削热、车削温度、车削加工特性、切屑控制、刀具磨损、刀具寿命等）的了解程度还远远不够。

现代智能制造日益成为制造业发展的重大趋势和核心内容，在设计和使用特种机床和刀具，或者是应用高切削性能新材料甚至刀具磨损自动补偿系统设计等生产应用时，都要全方位地考虑众多因素的影响，因此，让学生全面细致地了解和掌握金属切削加工相关知识非常必要。

2  金属切削加工综合实验的设计

金属切削加工综合实验要将车刀构造、车削力、车削热、车削温度、车削加工特性、切屑控制、刀具磨损、刀具寿命等知识点融为一体，使学生进一步掌握和巩固理论知识的同时，充分发挥学生独立思考、协同合作、应用拓展等能力，培养学生应用现代信息化测试技术和工具解决工程实际问题的能力，使之成为一门综合型、设计性、实用性实验课程[3]。

2.1 丰富教学内容  金属切削加工综合实验的教学内容一定要全面覆盖，因此要将实验教学内容最大程度地丰富，使学生对金属切削加工要素有全面细致地了解。

2.1.1 增加“切削层变形观察与测量”实验项目  切削层变形指的是被切削的金属层在刀具的切削刃及前刀面的作用下受挤压而产生的剪切滑移变形，不同金属材料的形成过程也不尽相同。灰铸铁、球墨铸铁等脆性材料的切削层是在刀具作用下先被挤压变形，然后形成裂纹并沿着某一曲面迅速脆断，而形成单元切屑、崩碎切屑;而铜、铝、碳钢等韧性材料则是在刀具作用下形成两个变形阶段，在第一变形阶段中首先形成滑移线，被切削金属沿滑移线产生滑移变形，而后在第二变形阶段内切屑底层的晶粒进一步被拉长，甚至几乎平行于前刀面，最终形成挤裂切屑、带状切屑，这种直观的观察让学生印象深刻。

切屑形成的过程及切屑层的变化规律是研究切削加工中各種物理现象（切削力、切削热、切削温度、刀具磨损、加工表面质量等）的基础，观察切屑形成的过程对于学生直观了解相关知识有非常好的信息表达效果，而通过观察切削速度、进给量和刀具前角等因素对切削层变形的影响，也会对学生掌握切削层变形机理起到非常直观深刻的促进作用[4]。

2.1.2 增加“车削温度测定及经验公式建立”实验项目  切削加工过程中所产生的切削热除了少部分逸散到周围介质中以外，其余均传入工件、切屑和刀具中，产生的温升引起工件变形、加速刀具磨损，因此切削温度的测量非常有必要。只有准确的测量才能掌握切削用量等因素对车削温度的影响规律，并建立车削温度的经验公式，在高精度加工中设计合适的加工参数，保证加工质量。

测量切削温度的方法有很多，而工程中最为常用的是刀具—工件自然热电偶法。利用刀具和工件材料的差异作为自然热电偶的“冷”、“热”两极而形成闭合回路，切削工作时，刀具、工件及铁屑处的温度急速升高而形成热电偶的热端，而刀具尾端和工件的引出端温度变化很小而形成热电偶的冷端，从而产生温差电动势，经过热电特性标定而转换成对应的温度值。

2.1.3 增加“刀具磨损测量及曲线绘制”实验项目  刀具磨损在金属切削加工过程中是不可避免的一种现象，随着切削加工的进行，刀具必将产生磨损并且不断发展，而刀具的磨损又在很大程度上影响着工件的尺寸精度和加工表面的质量。切削速度是对刀具磨损影响最大的因素，因此确定切削速度与刀具耐用度间的曲线关系具有非常重要的意义。

对刀具的前刀面、后刀面磨损情况进行的测量之后，将磨损形态绘制并标注，让学生掌握测量刀具磨损的基本方法，加深对刀具磨损的认识;采用逐点停车法制作刀具磨损曲线，让学生直观的了解磨损过程中各个阶段的磨损速率的差异，更加深刻的掌握加工过程中的刀具磨损规律。各个切削用量参数中，切削速度对于刀具的磨损影响最大，在其他参数不变的前提下，改变切削速度进行同样加工时，可以得出一组切削速度相关的磨损曲线，进而求出不同切削速度下的刀具耐用度，将各组数据在双对数坐标纸上标注并连线，便可得到一条表示切削速度和刀具耐用度之间关系的曲线，进而可以推导出反映关系的泰勒公式。

2.2 拓展测试技术  实验与测试技术紧密相连，随着测试技术的发展，新的测试方法层出不穷。因此，为了保证测试的科学性和先进性，有必要对原有的测试技术进行拓展和更新（见表2），这样也能让学生了解和掌握更多的测试技术。

2.3 延展分析方法  实验获得的原始数据要进行分析处理才能获取相应的结论，各种分析方法优缺点和适用范围也不尽相同，在金属切削加工综合实验中除了对常规的单因素图解法和一元线性回归法做详细讲解和应用外，还将正交回归实验设计、多元线性回归和方差分析有机结合，让学生了解各种实际问题的解决方法[5]。

3  金属加工综合实验的教学过程

3.1 课前渗透预研  课前对金属加工综合实验的实验原理及方法进行分层次、渐进式的知识点渗透，并要求学生进行预研，并完成相应的预研分析和验证目标，让学生带着疑问、带着兴趣、带着信心走入实验室，通过有效的预研效果测试，让学生压力与动力并存，从而保证良好的预研效果，使学生牢牢掌握实验学习的主动权[6]。

3.2 课中引导启发  实验过程中，以任务驱动，用目标引导，要求学生根据具体条件自拟实验参数，启发学生自主组织实验工作，让学生从认知、动手实践到思考、思维拓展，在实验任务的驱动和引导下，掌握必需的理论知识和操作技巧，经过独立思考和小组讨论，提出问题、分析问题、解决问题，扎扎实实地完成实验任务。

3.3 课后归纳巩固  完成实验并进行数据处理分析之后，还要求学生对实验过程、实验结果进行归纳和总结，以检验整体教学效果。通过归纳总结，可以让学生理顺知识结构、巩固知识重点和技术难点，使学生在实验教学过程的实践能力和工程水平不断提升，创新精神和创新能力不断提高，成为提升学生创新实践能力的有效途径[7]。

4  结语

金属切削加工综合实验可以让学生更加深入细致地学习金属切削加工相关知识，在实验动手能力、独立思考能力、分析总结能力、团队协作能力得到综合训练的同时，在设计环节中激发学生的创新实践能力，体现创新意识，使学生机械制造专业素质得到有效提升，为我国装备制造业输送高水平专业人才。

参考文献：

[1]王玥，张小奇.“三維启六环施”教学模式在中职学校课堂中的教学设计——以金属加工与实训课程为例[J].内燃机与配件，2020（17）：252-253.

[2]贾娜，孙壮志，刘诚.通过“课程思政”培养学生工匠精神的实践与探索——以“金属切削原理与刀具”为例[J].黑龙江教育（理论与实践），2020（05）：1-3.

[3]李丽伟.《金属切削原理与刀具》课程教学的实践与探索[J].教育教学论坛，2018（28）：158-159.

[4]李双青.《金属切削加工方法与设备》课程的信息化教学实践及改革思考[J].内燃机与配件，2019（23）：281-282.

[5]史岳鹏，焦阳，姬真真.研究引导型教学模式在应用型大学中的探索与实践[J].大学教育，2021（04）：36-38.

[6]刘宇，别海楠.加工过程仿真技术在本科教学中的思考与实践[J].科教导刊（中旬刊），2016（02）：59-60.

[7]孙莹.基于《金属切削加工方法与设备》课程的混合式教学设计研究[J].内燃机与配件，2020（17）：224-225.