楊 春, 戴明華, 劉海龍
(大連理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,遼寧 大連 116023)
中共中央國務(wù)院《關(guān)于深化教育改革,全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》指出“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)精神,普遍提高大學(xué)生的人文素養(yǎng)和科學(xué)素質(zhì)”[1]。大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)必須以獲取知識(shí)為基礎(chǔ),以提高素質(zhì)為核心,以發(fā)展創(chuàng)新能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神為最終目標(biāo)[2-3]。長期教改實(shí)踐表明,在高等工程教育中,工程實(shí)踐是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的最好課堂[4]。
我校工程訓(xùn)練中心是國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。為配合學(xué)校高水平人才培養(yǎng),為社會(huì)提供高層次、高素質(zhì)的人才,工程訓(xùn)練中心引進(jìn)先進(jìn)教育理念,秉承“教育回歸工程,教學(xué)回歸實(shí)踐”精神,堅(jiān)持“以創(chuàng)新教育理念為指導(dǎo),教改先行,建設(shè)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求的一流工程實(shí)踐教學(xué)基地”的指導(dǎo)方針[5],注重對(duì)學(xué)生工程綜合能力的培養(yǎng),取得了多項(xiàng)國內(nèi)領(lǐng)先成果。
數(shù)控電火花線切割是集特種加工技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)為一體的先進(jìn)制造技術(shù)[6],是一門快速發(fā)展的新興學(xué)科,它集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)控制、通信技術(shù)為一體,是一門多學(xué)科交叉、知識(shí)面廣的機(jī)電一體化學(xué)科。通過這門課程的工程實(shí)訓(xùn),學(xué)生可以廣泛接觸到機(jī)械加工工藝、機(jī)床制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù),鍛煉動(dòng)手能力,為以后的理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。
馬克思理論指出,創(chuàng)新源于實(shí)踐,始于問題,缺少了實(shí)踐的創(chuàng)新,只是無源之水,無本之木。因此,要培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力,必須加強(qiáng)大學(xué)生專業(yè)相關(guān)技能的實(shí)踐教學(xué),提高大學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力[7]。
當(dāng)前,社會(huì)在人才培養(yǎng)方面出現(xiàn)了一些偏頗,表現(xiàn)在重視課堂教育、輕視實(shí)踐教學(xué),重視學(xué)歷培養(yǎng)、輕視能力培養(yǎng)。學(xué)生習(xí)慣了聽教師講定理、講例題、做配套習(xí)題,而對(duì)零件的實(shí)際加工過程缺乏基本的知識(shí)儲(chǔ)備。針對(duì)這種情況,在實(shí)踐教學(xué)過程中注意加強(qiáng)每一個(gè)學(xué)生實(shí)踐能力的鍛煉,改變?cè)瓉碓跈C(jī)床控制器上模擬操作的教學(xué)方式,盡量讓每一個(gè)學(xué)生都動(dòng)手進(jìn)行實(shí)際操作,訓(xùn)練他們的加工技能,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)手實(shí)踐能力的提高。嚴(yán)格監(jiān)督學(xué)生的行為規(guī)范,要求實(shí)訓(xùn)小組學(xué)生都要積極參與實(shí)踐,避免出現(xiàn)一個(gè)人操作大家圍觀的現(xiàn)象,并鼓勵(lì)學(xué)生自主化、個(gè)性化的設(shè)計(jì)加工,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神。
創(chuàng)新能力的培養(yǎng),關(guān)鍵在于創(chuàng)新思維的訓(xùn)練[8]。
首先要培養(yǎng)大學(xué)生邊實(shí)踐邊思考的習(xí)慣。在機(jī)床切割過程中,組織學(xué)生認(rèn)真觀察機(jī)床加工過程,研究機(jī)床的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和現(xiàn)象,并適時(shí)根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識(shí)提出相關(guān)問題,激活學(xué)生的思維,并適當(dāng)?shù)刈寣W(xué)生開展討論。比如針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生,組織他們注意觀察快走絲線切割機(jī)床繞絲桶自動(dòng)換向裝置,并要求他們回答該裝置的自動(dòng)換向原理。
其次,在教學(xué)過程中,除了重點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行加工原理、機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工操作等基本教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解外,還把各學(xué)科之間的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)教學(xué),使學(xué)生看到并明白各學(xué)科之間的相互關(guān)系[9],實(shí)現(xiàn)聯(lián)想的學(xué)習(xí),有意義的學(xué)習(xí)。例如,在電火花深小孔工程訓(xùn)練講解過程中,著重講解深小孔創(chuàng)新加工技術(shù),把創(chuàng)新的焦點(diǎn)聚集到火花放電產(chǎn)生的電蝕物排出方式上,主要介紹的方法是“移置技術(shù)”創(chuàng)新設(shè)計(jì)法(原理如圖1所示)。利用噴水出口產(chǎn)生的壓強(qiáng),去除周圍物質(zhì)這一自然現(xiàn)象,移置到電火花深小孔加工機(jī)的設(shè)計(jì)中:把傳統(tǒng)的實(shí)心電極改造成管狀電極,高壓的放電加工液通過電極中孔噴射到小孔的底部放電區(qū)域,能把深孔中不導(dǎo)電的電蝕物沖出來,恢復(fù)介電性能,順利完成深小孔放電加工[10]。
圖1 電火花小孔加工原理圖
為了提高機(jī)類大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力,對(duì)大學(xué)二年級(jí)學(xué)生開設(shè)了為期3周的AII實(shí)踐訓(xùn)練課程,其中線切割實(shí)訓(xùn)模塊的教學(xué)時(shí)長為1天,用于開展 “二維創(chuàng)新線切割”加工實(shí)訓(xùn)[11]。模擬真實(shí)的工程實(shí)際環(huán)境,利用CAXA線切割編程軟件編制被加工零件的程序,并在中心提供的4臺(tái)DK7725快走絲線切割機(jī)床上切割加工出自己設(shè)計(jì)的零部件。從二維零件設(shè)計(jì)到數(shù)控程序編制再到線切割機(jī)床加工,都是由學(xué)生自己動(dòng)手完成,注重學(xué)生自主性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)。學(xué)生有疑問可以隨時(shí)請(qǐng)教指導(dǎo)教師,但還是以學(xué)生互學(xué)互教為主,訓(xùn)練學(xué)生掌握各種軟件的使用和機(jī)床的操作,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力。
針對(duì)學(xué)生熱衷于利用線切割機(jī)床切割加工漂亮圖形、卡通圖案,忽視機(jī)床實(shí)際用途和加工范圍的實(shí)際情況,申請(qǐng)了我校教改項(xiàng)目 “機(jī)類大學(xué)生線切割加工教學(xué)改進(jìn)與新方法初探”(YB2017040)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中,利用展板、視頻課件、加工樣件等形式向?qū)W生強(qiáng)化講解線切割加工主要是用于加工各種沖模、凸輪、樣板等形狀復(fù)雜的精密零件的事實(shí)。
同時(shí)在加工中提供典型機(jī)械零件圖紙,訓(xùn)練學(xué)生按圖紙尺寸開展編程技術(shù),按零件基準(zhǔn)進(jìn)行裝夾、找正,以保證加工零件的形狀公差和位置公差。從而培養(yǎng)學(xué)生“精密制造”的理念和意識(shí),為他們后續(xù)參加創(chuàng)新競(jìng)賽,加工制作出優(yōu)秀的實(shí)際零部件打下基礎(chǔ),提高學(xué)生綜合能力。
“案例教學(xué)法”是通過對(duì)一個(gè)具體教育情境的描述,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些特殊情境進(jìn)行討論的一種教學(xué)方法。有利于學(xué)生創(chuàng)新思維能力、觀察能力、分析和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)[12]。
例如,在講解電加工機(jī)床結(jié)構(gòu)時(shí),通常讓學(xué)生觀察快走絲線切割機(jī)床的滑動(dòng)導(dǎo)軌,提示學(xué)生滑動(dòng)導(dǎo)軌采用面接觸,摩擦力比較大。在另一臺(tái)改進(jìn)型電加工機(jī)床觀察到V型滾柱導(dǎo)軌,指明該機(jī)床V型導(dǎo)軌滾動(dòng)體和導(dǎo)軌表面是線接觸,摩擦力大幅降低,適合電加工機(jī)床使用。高檔線切割機(jī)床普遍采用高精度線性導(dǎo)軌[13],導(dǎo)軌滑塊中裝有4列高精度滾珠循環(huán)運(yùn)動(dòng),為工作臺(tái)提供支撐。滾動(dòng)體和滑塊之間點(diǎn)接觸,進(jìn)一步降低了摩擦力。
通過對(duì)線切割機(jī)床導(dǎo)軌技術(shù)發(fā)展的剖析,讓學(xué)生明白這個(gè)演變過程就是導(dǎo)軌摩擦力由大到小、機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度由低到高的變化過程。隨著技術(shù)的發(fā)展,這種變化還會(huì)繼續(xù)下去。舉一反三,此時(shí)再同步設(shè)置一個(gè)創(chuàng)新問題,讓學(xué)生思考如何改進(jìn)舊型號(hào)的線性導(dǎo)軌(如圖2所示)滾珠之間的摩擦損耗和撞擊損傷。學(xué)生充分思考和討論后,教師再給出日本THK公司的解決方案:在滑塊滾動(dòng)體之間加上聚四氟乙烯球間隔保持器,把滾動(dòng)體分隔開(如圖3所示)。由于聚四氟乙烯具有自潤滑性,能有效減少摩擦,創(chuàng)新地解決了滾動(dòng)體摩擦和撞擊產(chǎn)生噪音及表面凹坑的問題。
圖2 第一代線性導(dǎo)軌
圖3 帶球保持器線性導(dǎo)軌
工程訓(xùn)練中心建設(shè)10多年來,得到國家和學(xué)校各方面大力支持,先后增添了5臺(tái)代表國際最新技術(shù)的電火花線切割加工設(shè)備(如表1所示)。
表1 引進(jìn)的先進(jìn)設(shè)備統(tǒng)計(jì)表
通過這些設(shè)備的介紹和使用,讓學(xué)生充分了解了線切割等放電加工領(lǐng)域的前沿技術(shù)和知識(shí),大大開闊了學(xué)生的視野,激發(fā)了他們對(duì)新科學(xué)、新技術(shù)的興趣,培養(yǎng)了他們的實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)和精神,收到了教學(xué)質(zhì)量和資源利用率雙提高的效果,培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)作風(fēng),啟發(fā)、引導(dǎo)他們能夠更加充分地發(fā)揮自己的創(chuàng)造潛力[14]。
全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是一項(xiàng)綜合性賽事。各校參賽隊(duì)伍都會(huì)利用自身優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)制作作品,參加競(jìng)賽。
為了使學(xué)生安全、優(yōu)質(zhì)、順利地制作完成自己的參賽作品,多年來堅(jiān)持舉辦各種加工技術(shù)培訓(xùn)班,“線切割創(chuàng)新技術(shù)加工培訓(xùn)”就是其中一種。在培訓(xùn)過程中,不但教會(huì)學(xué)生熟悉線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu),還幫他們分析機(jī)床容易出現(xiàn)故障的原因和處置方法,培訓(xùn)他們CAXA線切割自動(dòng)編程軟件的使用技巧及線切割機(jī)床加工的高級(jí)操作。
學(xué)生通過接受培訓(xùn),能夠更加熟練地操作機(jī)床,從而有更多的時(shí)間和精力聚焦到作品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)上,以便制作出更加優(yōu)秀的作品去參加各種大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽。近年來,工程訓(xùn)練中心的機(jī)械創(chuàng)新班學(xué)生,在參加各類大學(xué)生競(jìng)賽中獲得了非常好的成果,共取得國際、國家和省級(jí)各種競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)80多項(xiàng),一等獎(jiǎng)25項(xiàng)(國家級(jí)21項(xiàng))。
為了支持大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的開展,工程訓(xùn)練中心建立了開放的快走絲線切割機(jī)加工平臺(tái),利用原有的線切割機(jī)床,配備專用編程電腦和CAXA線切割編程軟件,用于項(xiàng)目選手在課余時(shí)間開展零部件的切割加工。為了方便學(xué)生使用,指導(dǎo)教師準(zhǔn)備了圖文并茂的線切割機(jī)床和深小孔加工機(jī)床的開機(jī)操作流程,以及相關(guān)的機(jī)床加工技術(shù)資料;提供充足的電極絲和清潔的工作液,調(diào)節(jié)好參數(shù),保證機(jī)床處于最佳的工作狀態(tài),讓學(xué)生在開放的線切割加工平臺(tái)自主使用機(jī)床加工參賽作品的零部件時(shí),得心應(yīng)手。很多學(xué)生參賽作品的零部件都是在開放平臺(tái)加工完成的,圖4所示零件是學(xué)生加工好的“無碳小車”齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
圖4 無碳小車齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
在大學(xué)生各類創(chuàng)新競(jìng)賽作品加工中,學(xué)生經(jīng)常選用厚鋁板進(jìn)行線切割創(chuàng)新加工。由于快走絲線切割機(jī)床在切割厚鋁板時(shí),電極絲會(huì)對(duì)導(dǎo)電塊放電,產(chǎn)生“燒導(dǎo)電塊”故障,造成切割零件報(bào)廢[15]。
為了更好地服務(wù)于大學(xué)生創(chuàng)新,改造了線切割導(dǎo)電塊結(jié)構(gòu),將原來的硬質(zhì)合金導(dǎo)電塊摩擦進(jìn)電改為滾動(dòng)軸承滾動(dòng)接觸進(jìn)電,有效避免了上述故障的發(fā)生,還研究改進(jìn)了厚鋁板材料線切割加工工藝:調(diào)整合適放電參數(shù),適當(dāng)減小跟蹤進(jìn)給速度,更換清潔放電加工液。通過采取以上措施,學(xué)生基本上能順利切割加工出自己滿意的作品,參加各項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新競(jìng)賽。
線切割實(shí)訓(xùn)是高校工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分,在大學(xué)生實(shí)踐能力的提升、創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和創(chuàng)新思維的歷練中具有不可替代的作用。高等學(xué)校的工程實(shí)踐教學(xué)只有不斷地創(chuàng)新才能辦出自己的特色,在競(jìng)爭(zhēng)中處于有利的地位。為培養(yǎng)21世紀(jì)杰出、創(chuàng)新型
人才,必須更新教育思想和教育觀念,探索新的教學(xué)模式,鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力,促使學(xué)生學(xué)會(huì)主動(dòng)、積極、全面地運(yùn)用自己所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程難題[16]。