3D打印在机械制造综合实践教学中的应用

刘利剑 周京博 秦志英

摘要：机械制造综合训练实践教学有益于学生深入理解机械制造工艺过程，锻炼动手能力，提升综合素质。针对壳体零件制造存在的制模困难、周期长、成本高的问题，将3D打印技术应用于壳体模型的制作，使学生既掌握了先进的3D打印技术，又掌握了壳体的制造工艺。本文给出了实践教学的内容设计，介绍了教学的实施和课程的考核方式，并對教学效果进行了分析。实践教学锻炼了学生独立完成复杂零件机械加工的能力，培养了团队协作精神，取得了良好的教学效果，为在机械制造综合实践教学中引入3D打印技术提供了借鉴。

关键词：机械制造；3D打印；减速器壳体；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）08-0103-02

机械制造是与工程实践紧密联系的一门课程。现在机械制造实践教学多以轴、法兰等单个简单零件的加工作为训练内容，难以组成一个具有完整功能的产品，不能充分调动学生参与的积极性。完整产品通常都需要有壳体零件，并由其将产品中的其他有关零件连接成一个整体，完成彼此的功能。壳体零件具有形状复杂、有精度要求较高的孔和面等特点，让学生加工壳体零件，可以使其更加深刻地体会基准的选择、零件的定位、夹紧等机械制造课程中的核心内容，综合性也较强。但壳体零件的制造通常需要制作复杂的模具，导致周期长、成本高，难以在实践教学中广泛推广。

3D打印是一种先进的制造技术，并且正在逐步被引入到三维建模、模型制作、模具设计等教学活动中，并取得了良好的教学效果。将3D打印技术引入机械制造综合实践教学过程中，既可以使学生掌握3D打印的基本方法，也可以在此基础上完成壳体后续的机械加工工艺，提升机械制造综合训练的效果，对培养大学生的工程意识、创新意识、创新思维和创新能力起着重要作用。

一、综合实践教学的基本内容

机械制造综合实践是在修完机械制图、金属工艺学、计算机辅助设计、互换性与测量、机械制造技术基础、机械制造装备设计等课程后进行的一次以产品制造为目标的综合性实战训练。其围绕齿轮减速器壳体的制造展开，其主要内容如下：掌握编制壳体零件机械制造工艺规程；选择和调整加工机床、刀具、夹具；按照图纸上的技术要求使用数控机床加工出合格零件；使用激光快速成型机制作蜡模，并学习熔模铸造的工艺；使用三坐标测量机进行零件的形位精度测量；完成上下壳体的装配；等等，从而使学生全面地参与到产品的整个生产过程中，真正理解“机械制造”的含义。

二、教学过程的实施

1.壳体蜡模的3D打印与修整。用激光选区烧结技术SLS（Selected Laser Sintering）进行壳体的3D打印，既解决了零件生产的快速性问题，也激发了学生的兴趣和创新思维。学生先用三维软件进行壳体造型，再进行铸造收缩率的缩放，然后用MAGICS软件对模型进行切片处理，最后在3D打印机上进行快速成型。对打印完毕的蜡模，需要首先检查有无缺陷，重要尺寸是否合格，如果没有问题再对模型进行修模，内容包括：（1）用刀片削掉飞边或分模线，对小飞边也可直接用布擦除；（2）蜡模上有大而狭长的凹处应用修补蜡修复；（3）蜡模上若有气泡必须挑破，用修补蜡修复。

2.壳体的铸造及机械加工。3D打印得到的蜡模经过修整与抛光处理后即可进行熔模精密铸造，得到壳体的铸件。整个过程不过2—3周的时间，铸件精度可达±0.3mm，能完全满足减速器壳体的精度要求。更关键的是在壳体铸造过程中引入3D打印技术，节约了宝贵的课时，降低了壳体毛坯的制造成本。学生在设计三维造型时，可以创造性的在任何部位写上自己的名字或其他标记，以区别于其他人的作品，提高了学生参与的积极性。

对壳体零件毛坯进行机械加工可使学生更加深入地体会机械制造的工艺过程，主要内容包括：（1）审核零件图；（2）编制零件加工工艺过程卡；（3）编制零件主要工序的工序卡；（4）审核工艺过程卡及工序卡；（5）学习数控加工机床的程序编制；（6）夹具设计及定位误差分析；（7）完成减速器箱体的加工；（8）完成重要尺寸公差和形位公差的检验，填写关键零件关键尺寸的检测报告。在完成上述工作的过程中，使学生对整个机械制造工艺过程有了更加深刻的理解，动手能力得到了充分的锻炼。

3.组织方式及考核。建立小组式综合实践训练模式，每个班以6—7人为单位分成若干小组，由各小组长负责工作计划的综合与协调，指导教师作为技术顾问和生产组织顾问并负责产品生产的实施及过程监控。实践结束时，学生要完成齿轮减速器壳体的结题报告，包括：设计图纸、说明书、生产项目任务分配表、工艺过程卡、工序卡、质量检验报告和进度总结报告。提供完整的减速器壳体成品，参加答辩。由指导教师组成答辩组评定成绩，成绩以百分制记分，考核内容包括：（1）零件的结构形式、几何参数的合理性，图纸质量；（2）通过答辩考核学生对设计方法的掌握程度，对设计理论的了解程度；（3）考核学生对工艺规程编制方法的理解以及编制工艺规程的能力；（4）检查壳体零件是否符合设计要求，并考核制造过程中的具体工艺问题是如何解决的；（5）考核总结报告是否符合要求；（6）考核每一位学生所负责的工作内容按时间进度的执行情况。每一部分分别给分，最后以每一部分的分数之和作为综合实践成绩。

三、实践教学效果

齿轮减速器壳体的机械制造综合训练是一次理论联系实际，深入了解设计概念和制造过程的实践考验，使学生巩固、加深和扩展了机械制造技术方面的知识，提高了综合素质。图1（a）、图1（b）为学生根据二维零件图所画的上下壳体的三维模型，这充分训练了学生的三维建模能力；图1（c）为采用3D打印得到的蜡模；图1（d）为加工完成的壳体。在机械制造综合训练完成时，每个小组均独立完成了一个减速器壳体的加工，将课本讲述的机械制造方面的知识进行了一次全方位的实践。

在整个项目的实施使学生掌握了3D打印的基本原理和方法，掌握了采用3D打印方法快速制造壳体模型的方法，掌握了机械加工工艺规程的制定，掌握了工件定位的基本原理和方法，掌握了机械加工零件质量的评价方法。通过小组式项目管理模式，既锻炼了学生的沟通能力、协作能力和团队精神，又锻炼了学生设计与制造方面的实践能力和创新能力。

四、结语

通过3D打印使壳体零件模型的制造成本得到了大幅的降低，同时保证了壳体毛坯的制造周期。在壳体毛坯到合格零件的加工过程，不仅使学生将课本知识与实际的制造过程很好地结合到了一起，加深了对各种加工设备的认识，而且运用了零件定位原理的相关知识，分析了保证加工精度的方法，提高了分析问题、解决问题的能力。在此过程中，还通过完成各种工艺文档锻炼了写作能力。因此，基于3D打印的机械制造综合实践教学能对学生的综合能力进行锻炼和提高，是3D打印技术在机械制造综合训练实践教学中的成功应用。

参考文献：

[1]束奇，刘敬，崔运静.3D打印技术在模型教学中的实践初探[J].高教学刊，2016，（19）：145-146.

[2]张艳华.3D打印技术在模具设计教学中的实践与探索[J].教育教学论坛，2016，（12）：146-147.