基于轴类零件的多种实验训练研究

缪玉桂 伍 龙 王福旺

为了适应高校转型发展的需要，实现由学术型人才培养向应用技术型人才培养的转变，建设成地方性应用型高水平大学，地方高校要进一步加强理论与专业实践的结合，教学内容要与职业工作任务有机衔接，扩大工程案例（包括模拟工程项目）的实践比重，使得学生在校期间能够具备所学理论与专业实践高度关联的知识和专业技术应用能力。

目前，很多高校机械类专业都组织金工实习、快速成型等实验实习，但是大多各自为战，没有很好地关联起来。本文以同一个轴类零件，通过不同的实验实习方法来提高学生综合实践能力。

1 轴类零件举例及概括

笔者认为，基于轴类零件的多种实验训练研究可以归结为“一个中心、四个创新训练法”，即以一个实物零件为中心，综合采用机械制图训练、普通车床训练、数控训练、3D打印训练，围绕这些完成实物的设计图、数控加工程序的编写及加工、3D打印和普车机械加工，形成一个系统的综合训练环节。通过这四个训练法涉及的内容，传统的普车加工技术可以与先进的数控技术、3D打印等有机结合起来，使学生经过这一环环相扣的创新训练方法，获得更加系统、高效的制造技术训练。

这里以实物为中心，针对不同专业的学生，其有所不同，既可以是指一个零件，也可以是一个部件装配体。根据学生所学专业不同，“实物”从简单的一个零件，到较复杂的一个部件，从而循序渐进地锻炼学生的综合能力。如图1所示，笔者选择该轴类零件来构建整个训练过程。

图1 轴类零件二维图纸

2 多种实验实习训练法

2.1 3D打印训练法

学生在电脑上使用三维软件将实物零件绘制出来（这里推荐使用SolidWorks或者UG8.0软件）。接下来，将建好的图形用3D打印机打印出来，其过程是：将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，打印机逐层打印[1]。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

此过程锻炼了学生多方面的能力：一是三维软件建模能力。这是现代工程师必备的能力，该锻炼培养学生的空间想象能力和三维建模操作能力，可以为将来从事该行业打下坚实的基础。二是初步掌握3D打印技术。通过零件的3D打印训练，学生可以掌握其基本原理和实际操作技能，了解制造业新技术动态以及发展方向。

2.2 机械制图训练法

机械制图训练法是指将上面用三维软件绘制好的轴类三维模型转化成二维工程图，现在的三维软件可以转化出二维工程图，但使用自动标注，标注结果很不规范，也没有公差，而机械设计的核心就是配合和公差。所以，机械制图训练可以很好地锻炼学生用软件绘图和准确地标注公差配合的能力。

2.3 数控技术训练法

这里的数控技术训练法包括手工编程法和自动编程法两种。

一是手工编程法。由学生把图1对应的零件，手工编程并加工，达到三个效果：一是加深对数控基础知识的理解；二是锻炼数控手工编程的能力；三是培养学生对数控机床的实际操作能力。

二是自动编程法。对于复杂型面的加工，若需要三、四、五个坐标轴联动加工，其坐标运动计算十分复杂，必须采用计算机辅助编程方法，即自动编程法。所以，学生必须学习和掌握计算机数控加工程序编制技能。

利用学生在“3D打印训练法”环节中已经建立好的模型，高校可以采用美国Unigraphics Solution公司开发的一套集CAD、CAM、CAE功能于一体的三维参数化软件（它是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件，用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域），点击“开始”按钮，选择下拉列表中的“加工”选项。

选用UG进行数控编程，此处相当于进入UG的一个模块，这里很多知识需要学生反复练习，需要加工实验操作才能真正掌握。

自动编程多用于加工复杂工件，前期准备时间长，需要用软件建立模型，再设置刀具和毛坯等，其具有以下优点：由软件生成，可信度高，数据准确，可加工用软件模拟出来的任意可加工曲面[2]。该训练过程有两个好处：一是学会使用UG软件进行数控编程的能力，掌握如何设置刀具、创建几何体、进行后处理等能力；二是为进一步学习数控技术起到很好的实践作用。

2.4 普通车床训练法

对于图1展示的零件图，学生可以对着图纸在普通车床上再加工一遍。此训练法可以锻炼学生的普通车床使用技术，对于同样一张图纸，学生可以用数控车床和普通车床来分别加工，然后比较两种结果的差别，从而更加深刻地理解两种机床（即两种加工技术）的优缺点以及适用场合等特性。

3 试图解决的针对性问题

目前，大多数工科院校都具有工程训练中心，但在进行金工实习的过程中，各个工种呈现出“各自为战”的局面。例如，钳工工种让学生加工一个小锤头，数控加工工种可能让学生加工一个轴，3D打印工种可能让学生打印一个玩具。这些工种之间没有互相联系的纽带，本文试图解决这一问题，通过一个实物零件，将所有工种联系在一起，进而提出“一个中心、四个创新训练法”。学生通过比较不同工种加工出来的产品，能更好地了解各个工种，这可以说是对传统训练方法的一种改革尝试。

本文的目标是适应学校转型发展、建设成地方性应用型高水平大学的总体要求，培养出具有现代技术知识基础的综合型、创新型、高素质工程技术人才，培养学生的测绘能力、三维软件建模能力、绘制工程图能力、数控编程能力、机床实际操作能力等，使学生经过这一环环相扣的创新训练方法，获得更加系统、高效、高质量的制造技术训练。

4 结语

本文研究了基于轴类零件的多种实验训练法，该项目集教学研究、实验考核、多重综合能力训练于一体，将惠及广大工科学生。其目的是最终提高学生的读图能力、绘图能力、计算机三维建模初步能力、3D打印技术初步能力、数控技术编程和加工初步能力、普通车床操作初步能力，为广大工科学生后续学习打下坚实基础。

[1]张学军.3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[2]韩翔，刘义，余永健.UG工程系统应用与开发实例[M].北京：清华大学出版社，2008：26-27.