新工科背景下车削基础的教学实践

邓睿，胡继华，葛德俊，黄建亮

（中山大学航空航天学院，广东 深圳 518000）

1 前言

随着我国产业转型和现代化的陆续展开，工科教育正经历深刻的变革。随着产业不断升级，实践教学也需作出相应的改变。目前我国产业正在向智能化发展，金工实习/工程训练作为新工科实践教学中的重要手段，也加入了越来越多智能化和信息化的内容，车、铣、钳和磨等传统基本项目的学时会相应地进行缩短，因此，以前传统的以锻炼熟练度为目的的教学方式将不再适用于现今新工科背景下的实践教学。车削加工作为机械加工中最基础的工艺，在工程训练实践教学中拥有不可或缺的重要性，因此，如何在新的背景下改进原有的教学方法和模式是亟待解决的问题。本文介绍了在新工科背景下，如何改进车削基础项目的教学方式和内容，以提升该项目实践教学的质量，更好地融入新工科实践教学的建设。

2 课程教学目标

车削基础作为金工实习/工程训练课程中最传统和基础的项目，一般以普通车床作为教学设备，所以这门课在很多高校也被称为普通车床。早年这门课是金工实习最重要的几个项目之一，常常占据整整3～5天的实训时间。随着工业科技的快速发展，传统金工实习的课程体系（金工实习全称为金属工艺学实习）已经无法适应新时代的需要，因此越来越多机电结合，智能化的课程内容逐渐加入进来，金工实习课程也逐渐改为工程训练。因为总的工程训练课时没有变化，所以传统金属加工项目的课时就会被缩短。

传统车削基础教学时，注重学生操作熟练度的培养，因为在数天或一周的时间内，是有可能对有限的几种操作达到相对熟练的程度。但在课时缩短的情况下，这种教学目标已经无法达成。如果设定过高的加工精度要求，反而有可能让刚接触车床的学生产生焦虑和挫败，在过大的心理压力中造成安全事故。因此，目前车削基础项目的教学目标更适合定位为车削加工的入门认知课，为数控车床的学习打基础。数控车床加工零件时安全门需要关闭，学生无法近距离观看，而在操作普通车床时，在注意安全的前提下，可以直观地观看整个车削的过程以及车床中各组件的运动。

3 课程设计思路

在新的教学目标下，教学思路要从普通车床操作的反复练习从而达到一定熟练度，转变为通过普通车床设备的各个组件和加工过程的观察与操作，对车削加工以及相关的设备知识有直观的认知，而不是书本上抽象的讲解。同时，将普通车床的操作与数控车床的知识相关联，让学生对数控车床的知识和使用能融会贯通。

4 课程教学实践要点

4.1 安全放首位

尽管此项目的实训课时缩短了，但安全相关的培训不能打折扣。因为绝大多数上课学生以前并未接触过机械加工，容易有初生牛犊不怕虎的心态，而且普通车床设备的高速旋转部分和加工部分都暴露在外，加工过程中操作者又要近距离观察，所以此项目是机械加工所有教学项目中最容易发生安全事故的。

除了进入实验室前的总的安全绪论课外，进入实验室后，任课老师还需要专门再向学生强调普通车床设备特有的危险源，同时检查学生的着装。对于初次接触机加工的学生，要在短时间内记住所有的安全规程和操作细节非常困难，所以不能一次性讲解过多的内容，而是要分段演示，同时他们的操作也分段进行，这样既可以减轻他们短时间内学习的压力，同时也降低了操作疲劳累积的可能。

在学生正式开始加工操作前，要进行空车练习，即装夹上工件后先不车削，而是开启主轴转动，练习车床上各个部件的操作。如果省去空车练习直接让学生自己进行车削加工，大多数学生会手忙脚乱，增大了安全风险；也有部分学生在初看到卡盘高速旋转起来时会害怕，需要一个熟悉和适应的过程，同时，在这个练习过程中，老师也能观察学生还有哪些操作没有到位，哪些安全事项没有注意到，可进行查漏补缺，所以空车练习必不可少。

在老师进行完车削的演示，学生要开始第一次独立操作前，需要给他们看1～2个简短的车床安全事故视频，再次敲响他们脑海中安全的警钟。

4.2 融入思政元素

目前，在加工制造领域，高端设备的领先地位很多被国外品牌把持，比如，近几年贸易战中针对我国禁售的光刻机。在媒体的各种报道下，容易让学生产生国外技术全面优于我们的心理，影响了学生投身科技制造行业的热情，不利于我国制造强国战略的高素质人才培养，因此将思政元素融入加工项目教学中是非常必要的。

针对本项目，思政元素的引入可以从向学生展示第三套人民币的2元面值纸币开始，因为那上面印着我国在1955年8月自主设计研发生产的第一台普通卧式车床C620-1，当时该车床的各项精度达到世界领先水平，得到了各行各业的广泛采用，为我新中国的工业发展做出了不可磨灭的贡献。

由于车床是最传统的加工设备，为了避免同学产生车削技术已经“过时”了的想法，可以介绍我国车削技术顶尖的一些大国工匠，比如龙小平。正是他们用车削技术制造出了超高精度的零件，才让我国在很多领域的高精尖设备得以顺利使用，不再被国外卡脖子，借此鼓励学生以后投身科技制造业，为突破国外的各项技术封锁贡献自己的力量。

4.3 使用3D打印制作教具

传统加工项目中，习惯用实物作为教具，但是金属实物（比如三爪卡盘）价格高，准备多套成本过高；实物重量大且内部为了润滑与防锈涂有机油，若想让学生了解内部结构，拆卸时，沾上满手油污也影响了他们的学习积极性。

目前3D打印技术大量普及，各高校的工训中心基本都设置了增材制造实验室，里面有大量的3D打印机可供使用。任课老师可利用中心内的3D打印机实现低成本的教具制作，可根据上课人数自行准备教具数量，降低了教学成本。同时因为重量轻和零件上没有机油，所以学生更乐于把玩这样的教具，也使学生的学习效率得到提高。

3D打印的耗材颜色多种多样，不同功能或不同种类的零部件可使用不同颜色的耗材进行打印，这样可以极大地提高学生的兴趣，同时学生通过装配各部分了解其内部结构动作原理时也会更加清晰易懂，如图1。

图1 三爪卡盘的3D打印教具

4.4 加入尾座教学

在缩短课时后，部分高校的普通车床教学中省去了尾座教学的部分。其实在有限的教学时间内，相比重复练习轴的外圆车削，让学生体验使用尾座来加工零件更为重要。因为在学生以后的科研加工或实际生产加工中，高精度的零件绝大部分会通过数控车床来完成，而不管是普通车床还是数控车床，在加工较长的零件或是给零件端面打孔时，都要用到尾座，所以在车削基础的教学中，要尽可能地把尾座教学加入进来，让学生对车削加工有完整的认知，而不是局限于单一的重复操作。

尾座教学包含使用钻头给工件打孔和使用顶尖辅助固定工件。打孔可以使用麻花钻打孔或者使用中心钻打中心孔，在短课时的教学中，使用中心钻打孔的教学更为合适。因为打完中心孔后，可以马上取下尾座套筒内的钻夹套，直接更换顶尖，无缝衔接顶尖使用的教学，学生操作时更加连贯，印象深刻，节省了教学时间。

4.5 联系数控车床

数控车床编程时，涉及的知识点相对较繁杂，而其中很多内容其实和普通车床有关联，所以在普通车床教学时，跟数控车床有联系的部分可以提前进行简单介绍，非常有利于后期学生学习数控车床。

在讲到车削三要素进给量时，普通车床的进给量是通过进给箱上的手柄来调节的，但是同样的手柄位置，在主轴转速不同时，实现的走刀速度是不同的，因为普通车床的进给箱是靠上方的主轴箱齿轮驱动的，所以走刀速度和主轴转速挂钩。这时可以提示学生：在使用数控车床时，进给量的设置可以有两种，一种是和普通车床一样与主轴转速挂钩的每转进给G99，一种是和主轴转速无关的每分钟进给G98（以广州数控980系统为例，下同）。造成这种差异的原因是普通车床只有一个驱动电机，进给箱要依靠主轴箱传递动力，而数控车床除了主轴电机，还有X轴的进给电机和Z轴的进给电机，因此进给方向的速度可以独立设置而不依赖主轴箱。而且数控车床因为有电机直接驱动，所以简化了普通车床进给系统里大量的齿轮传动机械机构，提高了传动效率。

在学生计算吃刀深度时，有部分学生常会忘记将直径的差值除以2才是车刀应该前进的距离。这时可以提示学生，在数控车床编程中，不论是设定成直径方式编程还是半径方式编程，数控系统都会自动计算吃刀深度，避免自己计算时可能产生的错误。这样学生就会对数控系统的作用有更直观的感受。

在学生进行了零件轴向的多次车削操作后，可以提示学生，这就是数控车床编程中的轴向车削循环G90，同时可以进一步介绍数控车床的各个切削指令，实际就是普通车床各种加工方式的总结，并且提供了更灵活和精确的控制，降低了对操作者熟练度和手感的要求，同时也提高了加工的效率。经过这样的讲解，学生之后进行数控车床编程学习时，就能更容易理解编程操作手册里的各个车削指令，将其跟车削工艺联系起来，而不是单纯的编程代码。

5 结语

在新工科背景下，传统车削基础项目的教学方式和内容亟需调整，同时需要始终把安全摆在首位，在实操前和实操进行中都不断强化学生的安全意识，并将思政元素和教学背景知识进行有机融合，激发学生的爱国热情和强化学生对制造强国战略的认识。在教学实践中，引入3D打印制作教具的方式可以提高学生的学习效率和兴趣；加入尾座部分的教学和相关知识点与数控车床的联系，可以让学生对车削加工有更全面和直观的认知，为以后数控车床的学习奠定良好基础。经过改进后的车削基础项目将能更好地融入目前的金工实习/工程训练的实践教学体系，更有助于新工科高素质人才的培养。