康珊珊， 唐曉強(qiáng)， 佟 浩， 邵珠峰

(清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084)

機(jī)械系統(tǒng)模型制造全過程教學(xué)實(shí)踐

康珊珊， 唐曉強(qiáng)， 佟 浩， 邵珠峰

(清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084)

針對國內(nèi)高校在制造專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在的系統(tǒng)性不強(qiáng)、細(xì)節(jié)研究不足等問題，闡述了以實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)為對象，完成汽車發(fā)動機(jī)活塞系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)、加工、測量、裝配、測試的各個(gè)環(huán)節(jié)，再現(xiàn)了制造全過程的實(shí)踐教學(xué)方法。實(shí)踐中根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，綜合考慮工藝、精度、成本、效率等因素，采用先進(jìn)的加工方法和設(shè)備，如超精密切削、電火花加工、3D打印等，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能運(yùn)動，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。學(xué)生們通過對細(xì)節(jié)的積極探討，解決了實(shí)踐中出現(xiàn)的意外問題,充分體現(xiàn)了“做中學(xué)”的實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)。

機(jī)械系統(tǒng)； 機(jī)械產(chǎn)品； 制造全過程； 超精密切削； 電火花加工； 3D打印

0 引 言

隨著我國“由制造向智造”的轉(zhuǎn)型，制造業(yè)將迎來新一輪的挑戰(zhàn)。目前，企業(yè)迫切需要掌握新的制造理念、制造方法、了解制造全過程的復(fù)合型人才。這些需求正在影響著“以人為本”的高校教育，同時(shí)，也促進(jìn)了制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與模式的變革。據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)大多數(shù)高校在制造專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一些問題。如大多針對某一課程的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)性；不是對實(shí)際系統(tǒng)的研究，細(xì)節(jié)研究不足等?；谏鲜鰡栴}，本文將闡述以實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)為對象，完成設(shè)計(jì)、加工、測量、裝配、測試的全部環(huán)節(jié)，建立了以項(xiàng)目為驅(qū)動的產(chǎn)品制造全過程實(shí)踐。同時(shí)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，綜合考慮工藝、精度、成本、效率等因素，選取多種不同的制造方法。

1 實(shí)踐特點(diǎn)

1.1 從實(shí)際出發(fā)，以功能為目標(biāo)

從汽車發(fā)動機(jī)活塞系統(tǒng)出發(fā)，抽象出機(jī)械系統(tǒng)模型后，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動功能為目標(biāo)，不給定設(shè)計(jì)尺寸，不指定加工方法，讓學(xué)生有一個(gè)完全自主的實(shí)踐空間。實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的各種意外問題，更為學(xué)生創(chuàng)造了解決細(xì)節(jié)問題和探索科研領(lǐng)域的機(jī)會。

1.2 涵蓋制造全過程，系統(tǒng)性強(qiáng)

本實(shí)踐以汽車發(fā)動機(jī)活塞項(xiàng)目為驅(qū)動，包括系統(tǒng)內(nèi)各零件的設(shè)計(jì)，采用不同的加工方法制造，對加工件測量判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求，將各零件裝配成系統(tǒng)，并測試實(shí)際功能，再現(xiàn)了制造的全過程，具有綜合性、連貫性、系統(tǒng)性。本實(shí)踐作為一門獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程，所涉及的內(nèi)容很好地配合了多門制造專業(yè)理論課程。

1.3 引入前沿的技術(shù)和設(shè)備

借助研究所內(nèi)教師自研制的國內(nèi)領(lǐng)先的加工設(shè)備，用于本科生教學(xué)。本實(shí)踐為學(xué)生提供多種先進(jìn)的制造加工方法(見表1)，如金剛石車削，高速電火花穿孔，并聯(lián)構(gòu)型3D打印，數(shù)控加工中心等，讓學(xué)生盡早接觸專業(yè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)、方法，為今后的科研探究打下基礎(chǔ)?；凇?85”三期購買的先進(jìn)的測量設(shè)備，如三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)，對測試平臺和實(shí)驗(yàn)組件進(jìn)行形位精度測量，保證加工精度和裝配精度。

表1 加工設(shè)備

1.4 量化實(shí)驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以裝配、功能測試、重量、剛度、成本為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用PPT匯報(bào)的形式評定，將教師評價(jià)、學(xué)生小組互評、學(xué)生小組內(nèi)自評進(jìn)行綜合量化考核。

2 實(shí)踐內(nèi)容與關(guān)鍵技術(shù)

汽車發(fā)動機(jī)中最常見的是往復(fù)式發(fā)動機(jī)，其工作行程分為：進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣[2]。常見的有直列四缸發(fā)動機(jī)，如圖1所示，每個(gè)活塞重復(fù)以上4個(gè)行程進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動，再通過曲軸將直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而驅(qū)動汽車輪胎。

圖1 汽車發(fā)動機(jī)活塞實(shí)物圖

對發(fā)動機(jī)汽缸工作原理的了解，發(fā)現(xiàn)如果按該模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，是將直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由于不能進(jìn)行真正的點(diǎn)火運(yùn)行，需要采用電機(jī)代替動力源。而直線電機(jī)遠(yuǎn)沒有旋轉(zhuǎn)電機(jī)普遍，故采用其逆過程，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。

2.1 設(shè)計(jì)

本實(shí)踐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從給定的功能要求，只進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，不進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算[3-5]。由功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，訓(xùn)練學(xué)生自頂而下的設(shè)計(jì)思路是至關(guān)重要的。這樣既可以照顧全局，又有創(chuàng)新。本實(shí)踐項(xiàng)目以汽車發(fā)動機(jī)活塞為原型，讓學(xué)生不拘一格進(jìn)行設(shè)計(jì)。并沒有給出具體的零件尺寸，而是對功能提出要求，抽象出一些基本的設(shè)計(jì)要素(見圖2)：活塞1、活塞銷2、連桿3、曲軸銷4、曲軸5，最終實(shí)現(xiàn)組件裝配和運(yùn)動仿真。

圖2 發(fā)動機(jī)活塞抽象設(shè)計(jì)要素

活塞的設(shè)計(jì)[6]應(yīng)包括頭部、裙部和活塞銷座3個(gè)部分。頭部設(shè)計(jì)有凹槽，用于安裝氣環(huán)和油環(huán)，起密封作用。裙部位于活塞頭部的上方，其作用是盡量保持活塞在往復(fù)運(yùn)動中保持垂直的姿態(tài)，也就是活塞的導(dǎo)向部分?；钊N座位于活塞裙部的上方，是活塞通過活塞銷與連桿連接的支承部分。連桿的作用是通過配合銷釘連接活塞和曲軸。曲軸設(shè)計(jì)應(yīng)包括不在同一軸線上的兩個(gè)軸[2]。

本實(shí)踐中假設(shè)項(xiàng)目組得到了如下的給定參數(shù)：通過排量計(jì)算得出的活塞行程和汽缸直徑，已知的實(shí)驗(yàn)機(jī)架確定的曲柄、活塞缸的安裝位置和聯(lián)軸器的尺寸。要求自行設(shè)計(jì)零件尺寸和形狀，使組件裝配完成后能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的軌跡運(yùn)動，但不能產(chǎn)生運(yùn)動干涉。設(shè)計(jì)原則：在保持剛度的前提下盡量減輕重量，同時(shí)考慮加工成本和加工難度。

加工要求根據(jù)系統(tǒng)功能確定。金屬零件整體精度為IT 7級，有相對運(yùn)動的配合可參考H7/f6，無相對運(yùn)動的配合可參考H7/g6?；钊共?導(dǎo)向部分)與頭部同軸度達(dá)到10 μm，表面粗糙度達(dá)到0.1 μm[7-10]。環(huán)槽下部有泄油孔。 根據(jù)要求制訂各零件加工工藝[11-12]。

2.2 加 工

好的設(shè)計(jì)，不一定都能加工出來，加工制造在本實(shí)踐中是個(gè)重頭戲。制造業(yè)已不再局限于車銑刨磨鑄等冷熱加工，隨著材料，加工方法的不斷革新，如今3D打印、高精密加工不斷擴(kuò)展著制造業(yè)的領(lǐng)域。研究所內(nèi)購買和自研制多種先進(jìn)的加工設(shè)備，為學(xué)生在選擇加工制造方法時(shí)提供了一個(gè)平臺。以切削加工為主，結(jié)合其他加工設(shè)備(如金剛石鏡面車削，微細(xì)孔加工，并聯(lián)構(gòu)型3D打印等)自由選擇制造方法。加工設(shè)備原理簡述如下。

普通切削加工是指利用硬質(zhì)合金或高速鋼刀具切除被加工零件多余材料的方法。它能夠獲得具有一定幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的零件，是機(jī)械制造業(yè)中基本的加工方法。本實(shí)踐中采用的是車削加工中心和3+2軸銑削加工中心。

超精密切削技術(shù)采用刃口鋒銳的天然單晶金剛石刀具或人造金剛石刀具，配用相應(yīng)的超精密加工車床及數(shù)控系統(tǒng)，一次切削即可獲得納米級表面粗糙度和亞微米級形面精度。

電火花加工是利用工具和工件之間的脈沖式火花放電，產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象去除工件上多余材料，以使工件的形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求。它是靠火花放電時(shí)局部、瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫把材料腐蝕除下來，是一種非接觸式加工方法[13-15]。

3D打印是一種快速成型技術(shù)。它以3D數(shù)字模型文件為原型，通過逐層堆疊累積的方式將模型構(gòu)建成真實(shí)的物體[1,16]。

在加工中遇到的問題，師生都進(jìn)行了積極思考和解決。例如，在普通切削加工中，由于設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮加工的難易程度，導(dǎo)致工序復(fù)雜、多次裝夾損失定位精度，甚至現(xiàn)有刀具不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要重新修改設(shè)計(jì)；在金剛石車削加工中，發(fā)現(xiàn)加工時(shí)只能車到一半的圓柱(見圖3)，同學(xué)們在仔細(xì)測量了零件尺寸和定位精度后，認(rèn)為是上道工序留的余量較小，而進(jìn)給量又非常小，使得定位誤差造成了最終的偏差；在小孔電火花加工中，電極絲總是打到一半時(shí)就斷，經(jīng)過了認(rèn)真的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)由于加工材料是鋁，在加工中很容易被空氣氧化，導(dǎo)致氧化部分不再導(dǎo)電，電極絲繼續(xù)進(jìn)給就會折斷，通過減小孔徑的深度和調(diào)整進(jìn)給的速度有效地解決了這個(gè)問題；在3D打印過程中，總是出現(xiàn)精度不好和連接處剛度太差的情況，通過調(diào)整層厚和填充密度等參數(shù)，使情況得到了改善。

圖3 金剛石車削一半的圓柱

意外問題的出現(xiàn)，正是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，也是與理論教學(xué)的不同之處。本實(shí)踐設(shè)計(jì)之初也考慮到會出現(xiàn)很多意想不到的情況，這是學(xué)生從理論到實(shí)踐應(yīng)用的必然過程，只有真正動手做，才能把理論知識消化吸收，轉(zhuǎn)化為解決問題的能力。

2.3 測 量

加工后為了驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行一系列的測量測試，如尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等。對已有測試實(shí)驗(yàn)臺和各零件形位度進(jìn)行測量，保證滿足所設(shè)計(jì)的精度。測量設(shè)備有三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)，游標(biāo)卡尺，表面粗糙度儀等。測量時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)許多在設(shè)計(jì)、加工環(huán)節(jié)容易被忽略，卻直接影響最終功能實(shí)現(xiàn)的問題。例如：

(1) 在多次測量3D打印的零件尺寸時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸的尺寸精度比孔的尺寸精度高，而且誤差隨著尺寸的變大而增大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，改用了基孔制的設(shè)計(jì)方案，保證了公差與配合。同時(shí)解決了由于3D打印的精度不高，無法保證與其他切削加工零件的配合精度的問題。

(2) 在測量活塞導(dǎo)向部分的同軸度時(shí)，有一組的誤差比較大，進(jìn)一步思考發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計(jì)的原因造成零件加工變形較大，導(dǎo)致誤差較大。

(3) 在測量表面粗糙度時(shí)，有一組同學(xué)發(fā)現(xiàn)采用金剛石車削的表面比普通切削的表面質(zhì)量還差，經(jīng)過反復(fù)測量對比才發(fā)現(xiàn)，由于上一道工序的余量留得太小，定位誤差造成車削的不是整個(gè)圓周，測量的表面金剛石并沒有車削到。

2.4 裝配測試

裝配后的精度決定產(chǎn)品的最終精度，研究裝配順序、方法等裝配過程，利用裝配尺寸鏈、互換法等保證裝配精度，考慮力、熱、動平衡等引起零件變形的因素，制定出合理的裝配工藝規(guī)程，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量有著十分重要的意義。

實(shí)際發(fā)動機(jī)活塞組件的裝配過程是比較復(fù)雜的，如活塞銷的壓裝，活塞環(huán)的安裝，連桿大頭的裝配等，目前在工廠中大多采用流水線機(jī)器裝配。本實(shí)踐中只涉及間隙配合和過渡配合，采用手工裝配，但要求采用合理的裝配方法，按照一定的裝配順序，注意裝配的精度對運(yùn)動的影響。測試要求每組同學(xué)的機(jī)構(gòu)能夠順暢地動起來，包含正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等。

通過裝配測試過程，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了很多存在的問題，如：忽略了曲軸與聯(lián)軸器連接的倒角問題，發(fā)現(xiàn)存在的機(jī)構(gòu)運(yùn)動的死點(diǎn)位置，裝配精度影響到運(yùn)動的順暢，裝配運(yùn)動后出現(xiàn)剛度不夠、零件損壞的情況等。使同學(xué)們進(jìn)一步反思設(shè)計(jì)加工的過程，進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)修改和加工修配，深刻體會到整個(gè)實(shí)踐過程的系統(tǒng)性和綜合性。

2.5 評 價(jià)

本實(shí)踐并不是以項(xiàng)目完成為唯一指標(biāo)，而有一些具體的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)，這些標(biāo)準(zhǔn)也始終貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)、加工、測量、裝配環(huán)節(jié)，如裝配盡量容易，功能測試順暢，重量輕，剛度好，成本低等，盡量與實(shí)際生產(chǎn)接軌。

表2 評分標(biāo)準(zhǔn)

本實(shí)踐分成幾個(gè)項(xiàng)目小組，每個(gè)小組完成一個(gè)發(fā)動機(jī)活塞系統(tǒng)項(xiàng)目的全部開發(fā)。最后以PPT匯報(bào)的形式評定，這樣增進(jìn)了各組之間的交流，共享了每組遇到的問題和獲得的經(jīng)驗(yàn)，倍增了實(shí)踐收獲。同時(shí)，將教師評價(jià)、學(xué)生小組互評、學(xué)生小組內(nèi)自評進(jìn)行綜合參考，既注重組內(nèi)協(xié)調(diào)、合作，也突出了個(gè)人貢獻(xiàn)。

3 實(shí)踐應(yīng)用

本實(shí)踐依托于清華大學(xué)“985”三期實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，在新開大四本科生限選課“制造工程綜合實(shí)踐”中得到應(yīng)用。作為一門獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課，由于它的系統(tǒng)性和綜合性，獲得了學(xué)生一致好評。圖4所示是部分學(xué)生的實(shí)踐作品，左邊為學(xué)生設(shè)計(jì)的裝配組件的運(yùn)動仿真，右邊為實(shí)際加工出的裝配組件的實(shí)際運(yùn)動。

圖4 部分學(xué)生作品

4 結(jié) 語

制造專業(yè)是一門實(shí)踐學(xué)科，國外對制造專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是非常重視的，如美國很多大學(xué)的制造加工類設(shè)備對學(xué)生是開放的，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可能是與企業(yè)合作的實(shí)際項(xiàng)目，學(xué)生能夠較多的接觸到先進(jìn)的制造技術(shù)并解決實(shí)際問題，但由于教學(xué)體系的差異，國內(nèi)在這方面還大部分停留在加工工藝或數(shù)控編程等制造基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)上。

本實(shí)踐希望學(xué)生能夠體會制造全過程，并且接觸到先進(jìn)的制造技術(shù)和方法。設(shè)計(jì)、制造、測量、裝配測試是工業(yè)生產(chǎn)中幾個(gè)重要且緊密聯(lián)系的環(huán)節(jié)，怎樣在學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中有效地再現(xiàn)這些環(huán)節(jié)，并體現(xiàn)它們之間的內(nèi)在聯(lián)系是我們機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)一直思考的問題。從這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，本實(shí)踐以項(xiàng)目為驅(qū)動的方式，讓學(xué)生親身參與從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到裝配測試的完整過程。

本實(shí)踐今后可探索與企業(yè)合作模式，讓企業(yè)提出實(shí)際需求的機(jī)械系統(tǒng)模型，并納入更多的精密超精密加工制造方法，讓學(xué)生深入解決實(shí)際問題的同時(shí)，對科研產(chǎn)生興趣。

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Study of the Practical Teaching on Whole Manufacturing Process of Mechanical Products

KANGShanshan,TANGXiaoqiang,TONGHao,SHAOZhufeng

(Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Nearly in domestic universities, there was a lack of system and depth during practice courses in manufacturing specialty. In this paper we developed a practice course which was about the whole process of manufacturing on a model of the automotive engine piston system. The practice course involved design, machining, measuring, assembly and testing. For different request, we should consider the complex impact of process, accuracy, cost and efficiency in manufacturing. Moreover, we used advanced manufacturing technologies and equipments, such as precision machining, electro discharge machining (EDM), 3D printing etc. During the practice course students discussed in details and solved unexpected problems, then they could implement mechanical motions of the model at last, and we also got a good evaluation of students. This practice turned doing into learning.

mechanical systems; mechanical products; whole process of manufacturing; precision machining; electro discharge machining (EDM); 3D printing

2016-04-07

清華大學(xué)2016年本科教學(xué)改革項(xiàng)目資助(ZY01-2)；清華大學(xué)第三屆實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助(01201)

康珊珊(1980-)，女，黑龍江大慶人，碩士，工程師，研究方向：實(shí)驗(yàn)教學(xué)與設(shè)備管理。

Tel.:13488787648；E-mail：kangshanshan@tsinghua.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2017)02-0235-04