◆華成麗 梁棟

淺談機(jī)械專(zhuān)業(yè)刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)改進(jìn)方法

◆華成麗 梁棟

針對(duì)刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)的困難，分析產(chǎn)生難點(diǎn)的原因，提出通過(guò)合理設(shè)計(jì)車(chē)刀結(jié)構(gòu)展示教具、介紹刀具刃磨知識(shí)和利用信息技術(shù)輔助刀具結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的教學(xué)改進(jìn)方法。

機(jī)械制造課程；刀具結(jié)構(gòu)；刀具教學(xué)；信息技術(shù)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.109

1　刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)背景及現(xiàn)狀

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程是基于國(guó)家教育部“面向二十一世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革”，按照新課程體系要求，將機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)、金屬切削原理和刀具等課程合并成的一門(mén)專(zhuān)業(yè)主干課程［1］。其中，“金屬切削原理和刀具”部分主要介紹金屬切削的成型原理、刀具結(jié)構(gòu)和切削條件的選擇，是該課程的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。當(dāng)前，由于新課程體系對(duì)該部分內(nèi)容有較大幅度精簡(jiǎn)，相對(duì)于以往其知識(shí)體系不完整，給實(shí)際教學(xué)帶來(lái)一些困難。該部分由于刀具角度繁雜、參考平面及坐標(biāo) 系較多，其空間關(guān)系結(jié)構(gòu)多樣，致使學(xué)生普遍反映在某些概念的理解和掌握上存在一定的困難，缺乏空間想象力，并且教師基于現(xiàn)有條件也難以形象直觀地描繪出來(lái)，在測(cè)繪車(chē)刀結(jié)構(gòu)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生實(shí)踐操作情況不理想，也間接地導(dǎo)致后續(xù)的切削條件選擇教學(xué)難以有效開(kāi)展，嚴(yán)重影響本課程的整體教學(xué)效果。

機(jī)械制造技術(shù)教材多以車(chē)刀為例，講解刀具的參考系和幾何角度。通常從介紹基面Pr，切削平面Ps等參考系平面入手，基于參考系平面與切削刃的關(guān)系定義出所有刀具角度，最后再介紹角度轉(zhuǎn)換公式［2］。由于這部分概念多，幾何關(guān)系復(fù)雜，教材展示也不直觀，學(xué)生只能憑空想象，理解起來(lái)有困難。而部分職業(yè)學(xué)校的教學(xué)中，為了便于學(xué)生理解，將金屬切削刀具與生活中的切割工具作類(lèi)比，來(lái)解釋刀具結(jié)構(gòu)與幾何角度，雖然較為生動(dòng)，但顯然理論論證不充分，語(yǔ)言過(guò)于啰嗦，并不適合工程師的培養(yǎng)［3-4］。

2　教學(xué)難點(diǎn)成因分析

針對(duì)刀具教學(xué)的困難，筆者通過(guò)長(zhǎng)期教學(xué)體會(huì)以及與學(xué)生的交流探討，總結(jié)出以下幾點(diǎn)原因。

刀具幾何結(jié)構(gòu)的相對(duì)復(fù)雜性 刀具是機(jī)械制造中用于切削加工的工具，它的設(shè)計(jì)與切削原理密不可分。刀具的結(jié)構(gòu)是針對(duì)不同的加工材料，考慮刀頭應(yīng)力、散熱、排屑、磨損等因素，綜合設(shè)計(jì)的產(chǎn)物。因此，刀具是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的多面體，其幾何參數(shù)將影響切削加工時(shí)的切削力和散熱，并深刻地影響機(jī)械加工工藝質(zhì)量。

刀具的幾何結(jié)構(gòu)建模方法，必須能有效體現(xiàn)刀具結(jié)構(gòu)對(duì)切削過(guò)程的影響，建模方法較為特殊。以車(chē)刀為例，車(chē)刀的參考系主要有三種，即正交平面參考系、法平面參考系、假定工作平面—背平面參考系。3個(gè)參考系共計(jì)10個(gè)定義參考平面和2條切削刃，再由它們之間的空間關(guān)系定義18個(gè)刀具靜態(tài)角度，不同參考系的角度之間具有復(fù)雜的三角函數(shù)換算關(guān)系。

實(shí)際教學(xué)中，刀具參考面多、靜態(tài)角度多，學(xué)生易受不同參考系中類(lèi)似的角度和參考面的影響而混淆相關(guān)內(nèi)容。以后角為例，教材中介紹后角αo、副后角αo′、法后角αn、副法后角αn′等8個(gè)定義類(lèi)似的角度，且它們的定義既有區(qū)別又有聯(lián)系。類(lèi)似的還有前角，十分繁雜，記憶困難。不僅如此，參考平面之間通常不是垂直關(guān)系，由于切削方式不同，也時(shí)常發(fā)生位置變化，刀具切削部分又集中在一個(gè)較小的工作區(qū)域，僅憑空間想象和實(shí)物觀察，是難以將這些數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間線(xiàn)面、面面關(guān)系清晰直觀地了解清楚的。

課程體系變化導(dǎo)致基礎(chǔ)不完備 刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)困難的根源，就是學(xué)生對(duì)刀具的建模和表達(dá)的理解混亂，這是工程圖學(xué)課程訓(xùn)練不足導(dǎo)致的。相比以往的教學(xué)體系，大部分高校已取消機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)原畫(huà)法幾何課程，而工程圖學(xué)課程也進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，因而學(xué)生對(duì)較復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件制圖和讀圖的能力有所退步。以車(chē)刀建模為例，刀具靜態(tài)角度無(wú)法用三視圖表達(dá)，需要用變換投影面法對(duì)不同參考平面進(jìn)行投影，才能標(biāo)注角度參數(shù)，這也是部分畫(huà)法幾何課程教材的示例和訓(xùn)練題。而現(xiàn)在的學(xué)生沒(méi)有相關(guān)基礎(chǔ)，自然在教學(xué)中對(duì)刀具的工程圖表達(dá)十分茫然，無(wú)法讀出有效信息。在車(chē)刀角度測(cè)繪實(shí)驗(yàn)中也不會(huì)通過(guò)換面法和正確剖切的手段，正確繪制出刀具的幾何形狀，自然實(shí)驗(yàn)報(bào)告錯(cuò)漏百出。

作者：華成麗，重慶大學(xué)城市科技學(xué)院電氣信息學(xué)院，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化、齒輪幾何學(xué)設(shè)計(jì)等（402167）；梁棟，重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、齒輪傳動(dòng)研究等（400044）。

教材內(nèi)容陳舊和缺乏工程實(shí)踐 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程教材繁多，其主干內(nèi)容也是由機(jī)械加工工藝基礎(chǔ)、金屬切削原理和刀具課程教材節(jié)選整合而來(lái)。圖1是教材中的常見(jiàn)配圖，展示了車(chē)刀正交平面和法平面參考系，但顯然只展示了參考系平面，至于刀具角度已經(jīng)被參考面本身?yè)踝。荒軕{借想象，如此教材學(xué)生自然理解困難。學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)較少，對(duì)金屬切削加工和刀具缺乏認(rèn)識(shí)，單獨(dú)從理論上去理解刀具結(jié)構(gòu)和切削現(xiàn)象，既不直觀又很枯燥。以金工實(shí)習(xí)為例，機(jī)床的刀具已經(jīng)由工人師傅刃磨好，直接可以供學(xué)生使用，學(xué)生沒(méi)有刀具成型過(guò)程的概念。刀具的刃磨是車(chē)削工藝的重中之重，作為未來(lái)的工程師，對(duì)此毫無(wú)了解，顯然是一個(gè)缺憾。

圖1　正交平面和法平面參考系

3　教學(xué)改進(jìn)建議

針對(duì)刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)的難點(diǎn)，開(kāi)展輔助刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)的教具研發(fā)和教改探索。在現(xiàn)行課程體系下，如何做到在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生對(duì)刀具結(jié)構(gòu)有深刻認(rèn)識(shí)？筆者認(rèn)為主要需要以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

合理設(shè)計(jì)教具 相比于原金屬切削原理與刀具課程，現(xiàn)機(jī)械制造課程的課時(shí)和教材內(nèi)容受到壓縮，而要掌握的主干知識(shí)卻并沒(méi)有減少。被精簡(jiǎn)的內(nèi)容也以輔助理解的工程背景為主，面對(duì)高度概括的教材，學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的難度均有加大。因此，合理設(shè)計(jì)教具，將刀具繁雜的各基準(zhǔn)平面、靜態(tài)角度和運(yùn)動(dòng)方向整合到教具上反映出來(lái)，讓學(xué)生能通過(guò)實(shí)物觀察，一目了然地了解各種定義概念，將是輔助教學(xué)的重要手段。

現(xiàn)在也有一些教具在使用，但反映的內(nèi)容不全面，教學(xué)效果有限。如按照?qǐng)D1指示制作的教具模型，僅能展示刀具邊框和基面、主切削平面、正交平面、法平面這四個(gè)參考面，繁多的刀具角度并無(wú)表現(xiàn)，而刀具角度恰是學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。類(lèi)似的教具均不直觀，角度仍然需要學(xué)生想象，輔助理解功能很差。

由于以上不足，設(shè)計(jì)了一套可拼插刀具教學(xué)模型。如圖2所示為正交平面參考系教具，根據(jù)刀具角度的刃磨成型原理，恢復(fù)了刀具被刃磨掉的部分，在刀具體上安裝前角—刃傾角塊、后角塊和副后角塊。以前角塊為例，前角塊的頂面剛好為刀具的基面Pr，底面即刀具的前面Ar，在正交平面上測(cè)量基面Pr和前面Ar的夾角，即為刀具的前角γo；前角塊的側(cè)面為刀具的主切削平面Ps，且前角塊的側(cè)面下端與主切削刃重合，在切削平面上測(cè)量基面Pr和主刃的夾角，即刀具的刃傾角λs，剛好被前角塊的側(cè)面表示。與此同理，主副后角塊展示了主副偏角及其形成平面。刀具體沿正交平面Po和副正交平面Po′剖開(kāi)，做成可拆卸的三塊，這樣拆下刀尖部分，可以看到形成刀具靜態(tài)角度的剖面。另外，還特別用薄板制作了主副偏角κr、κr′等可以安裝在刀具體上，形成一個(gè)展示所有定義平面、所有角度和運(yùn)動(dòng)方向的完整體系。

圖2　正交平面參考系教具

介紹刀具刃磨知識(shí)輔助教學(xué) 由于刀具的角度是由刃磨而來(lái)，刃磨的工藝決定了刀具的幾何形狀。對(duì)于一般的硬質(zhì)合金和高速鋼車(chē)刀，未刃磨前根據(jù)其切削種類(lèi)不同，主副偏角均為標(biāo)準(zhǔn)值，而前角、刃傾角、主副后角均為零。粗磨時(shí)，先磨主后面，再磨副后面，最后磨前面［5］。粗磨的過(guò)程就是去除刀面多余材料，形成切削工作面，形成刀具角度的過(guò)程。刀具的前角、刃傾角、主副后角隨之產(chǎn)生，主副偏角也隨之做小范圍調(diào)整。而精磨的過(guò)程則是對(duì)角度進(jìn)行小修，提高刀面刃磨質(zhì)量，提高加工質(zhì)量。

在課堂教學(xué)和刀具認(rèn)識(shí)實(shí)踐中，簡(jiǎn)要介紹刀具刃磨知識(shí)，播放簡(jiǎn)短的刃磨視頻，甚至在工人師傅刃磨刀具時(shí)在旁邊觀察，都能有效加深學(xué)生對(duì)刀具結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)理解。通過(guò)這種刃磨知識(shí)的補(bǔ)充，刀具結(jié)構(gòu)不再是干癟地定義平面和角度，而是生動(dòng)動(dòng)態(tài)的形成過(guò)程。該教學(xué)方法避免了以往教學(xué)中刀具結(jié)構(gòu)概念不直觀、只能“意會(huì)”的窘境。

加強(qiáng)信息技術(shù)輔助教學(xué)的應(yīng)用 隨著多媒體教室的普及，信息技術(shù)輔助教學(xué)在課堂中發(fā)揮著愈加重要的作用。在教學(xué)中展示相關(guān)視頻和三維動(dòng)畫(huà)，利用仿真軟件模擬成型過(guò)程，均是良好的教學(xué)手段。可將上述教學(xué)內(nèi)容拍成視頻，或制作三維仿真動(dòng)畫(huà)，在課堂教學(xué)中播放。

4　結(jié)論

本文針對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)課程中刀具結(jié)構(gòu)教學(xué)的困難，對(duì)產(chǎn)生教學(xué)難點(diǎn)的原因進(jìn)行梳理，并提出有效解決刀具認(rèn)識(shí)教學(xué)的改進(jìn)建議。上述教學(xué)改進(jìn)措施已經(jīng)在重慶大學(xué)城市科技學(xué)院電氣信息學(xué)院工科機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)基地加以實(shí)踐，取得較好的教學(xué)效果?！?/p>

［1］劉英，袁績(jī)乾.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］李少珍.試談刀具切削部分幾何角度實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革［J］.廣州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，1（3）：99-100.

［3］張宜厚.以車(chē)刀教學(xué)為例談“金屬切削原理與刀具”課程的教學(xué)方法［J］.職教通訊，2013（12）：66-67.

［4］趙亮.《機(jī)械加工技術(shù)》課程教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)的結(jié)合［J］.學(xué)周刊，2015（7）：25.

［5］管文.機(jī)械制造課程車(chē)刀角度的講解技巧［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2015（3）：98-99.

Teaching Improvement Method of Tool Structure for Mechanical Engineering//HUA Chengli， LIANG Dong

Aiming at the diffi culties in the teaching tool structure， the general reasons are analyzed. The teaching improvement methods including the display design of cutter structure， the introduction of tool grinding knowledge， and the cognition of tool structure using information technology are proposed.

mechanical manufacturing course； tool structure； tool teaching； information technology

G642.4

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1671-489X（2016）12-0109-03