張棟梁，張政潑

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 問(wèn)題分析

OBE（Outcome based education）工程教育認(rèn)證是一種以導(dǎo)向教育為核心的教育理念。在OBE 教育理念中，教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)教育過(guò)程最后所取得的學(xué)習(xí)成果（Learning outcomes），采用反向設(shè)計(jì)方式，從需求出發(fā)設(shè)計(jì)教學(xué)。螺紋加工是機(jī)械加工的重要部分。在數(shù)控車(chē)削的考試、考核、競(jìng)賽和晉級(jí)中，螺紋的數(shù)控加工都是重點(diǎn)考核內(nèi)容，因此數(shù)控車(chē)削是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)數(shù)控工藝及編程課程中的重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)PPT 課件、視頻和動(dòng)畫(huà)講解數(shù)控車(chē)削命令，雖然學(xué)生能夠聽(tīng)懂課程內(nèi)容，但是一方面缺乏和相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的聯(lián)系，另一方面學(xué)生的參與度差，缺乏動(dòng)手編程的環(huán)境，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。筆者在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，分析研究OBE 工程教育理念，以解決實(shí)際工程問(wèn)題為導(dǎo)向，從分析M24X3 螺紋加工的工藝入手，編寫(xiě)數(shù)控加工程序，并分析數(shù)控加工程序中螺紋加工工藝的實(shí)現(xiàn)。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)

由于螺紋數(shù)控車(chē)削加工是數(shù)控工藝及編程的重要課程內(nèi)容，為了讓學(xué)生能盡快掌握要學(xué)的知識(shí)和技能，課程組教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，以實(shí)際工程案例的M24X3 的螺紋車(chē)削加工為例，從解決螺紋結(jié)構(gòu)入手，分析螺紋加工工藝，引入數(shù)控車(chē)削數(shù)控程序的編寫(xiě)，并分析數(shù)控程序中螺紋加工工藝的實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)斯沃?jǐn)?shù)控仿真系統(tǒng)驗(yàn)證程序編寫(xiě)的正確性。在教學(xué)過(guò)程中，充分結(jié)合機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)控工藝及編程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)課程體系的聯(lián)通，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，如圖1 所示。

圖1 課程內(nèi)容與課程體系支撐關(guān)系圖

3 螺紋加工工藝分析教學(xué)過(guò)程

螺紋的教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)圍繞OBE 工程教育認(rèn)證的能力導(dǎo)向進(jìn)行，教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握螺紋的結(jié)構(gòu)、螺紋的加工工藝、螺紋數(shù)控車(chē)削程序的編寫(xiě)。教學(xué)設(shè)計(jì)以M24 典型連接螺紋為工程案例，以螺紋旋合的五要素（牙型、公稱(chēng)直徑、線(xiàn)數(shù)、導(dǎo)程和旋向）作為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合課程體系內(nèi)關(guān)于螺紋的知識(shí)點(diǎn)，分析螺紋的工藝參數(shù)，讓學(xué)生能夠系統(tǒng)建立完整的螺紋知識(shí)，掌握螺紋設(shè)計(jì)和加工的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

3.1 螺紋結(jié)構(gòu)尺寸分析

結(jié)合機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理的知識(shí)，回顧和分析M24 典型連接螺紋的畫(huà)法、螺紋的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)尺寸，具體相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 M24 螺紋的畫(huà)法、結(jié)構(gòu)及尺寸

3.2 螺紋加工進(jìn)刀方式對(duì)比

根據(jù)螺紋的結(jié)構(gòu)形狀，分析螺紋在加工成型過(guò)程中，刀具的進(jìn)刀方式。

螺紋在加工過(guò)程中有兩種進(jìn)刀方式，直進(jìn)法進(jìn)刀和斜進(jìn)法進(jìn)刀，具體進(jìn)刀方向如圖2。不同的數(shù)控螺紋車(chē)削指令的進(jìn)刀方式不同，在數(shù)控車(chē)削程序中G32、G33、G34、G92 采用直進(jìn)法進(jìn)刀，數(shù)控車(chē)削程序G76 采用斜進(jìn)法進(jìn)刀；根據(jù)M24 的螺紋特點(diǎn)，本案例教學(xué)中采用G76 方式完成螺紋的加工，其進(jìn)刀路線(xiàn)必須與刀具的角度60°一致。

圖2 螺紋刀直進(jìn)法進(jìn)刀和斜進(jìn)法進(jìn)刀

3.3 螺紋加工的加速段和減速段

結(jié)合機(jī)床刀具的運(yùn)動(dòng)特性和機(jī)械制造技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，分析刀具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的具體情況，講解處理刀具運(yùn)動(dòng)中加速段和加速段存在的原因和處理方法。

數(shù)控車(chē)床刀具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在啟動(dòng)時(shí)的加速和停止時(shí)的減速，在主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，螺紋刀具在運(yùn)動(dòng)加速段和減速段會(huì)引起螺紋亂牙，導(dǎo)致加工的螺紋無(wú)法正常進(jìn)行旋合，因此在螺紋加工前必須完成螺紋刀具的加速，加工到螺紋規(guī)定的長(zhǎng)度后必須保留螺紋刀具的減速，具體螺紋加、減速預(yù)留段如圖3。

圖3 螺紋加工加、減速段

3.4 螺紋加工背吃刀量的選擇

結(jié)合機(jī)械制造中關(guān)于切削力產(chǎn)生的原因，加工先粗后精的加工順序，分析螺紋加工過(guò)程中，背吃刀量大小產(chǎn)生的切削力對(duì)螺紋加工的影響，由此分析螺紋加工對(duì)背吃刀量的處理方法[1]。

圖4 G76 螺紋加工走刀路線(xiàn)及背吃刀量

3.5 螺紋粗精加工的必要性

結(jié)合機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械制造基礎(chǔ)的相關(guān)知識(shí)，分析螺紋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出螺紋順利旋合需要處理的問(wèn)題，并和學(xué)生探討得到處理問(wèn)題的方法。

在螺紋加工過(guò)程中，由于螺紋加工后是60°的銳角，導(dǎo)致一次螺紋精加工后，容易出現(xiàn)毛刺，且螺牙在粗加工中存在一定的變形，需要對(duì)螺牙進(jìn)行修正，因此螺紋加工的精加工一般情況下需要多次完成，即螺紋加工精加工的切削量需要多次切削完成。在G76數(shù)控車(chē)削程序中，設(shè)定精加工次數(shù)將精加工余量進(jìn)行等分，采用多次精加工的方式去除毛刺，并修正螺紋的牙型，以保證加工完成的螺紋可以實(shí)現(xiàn)順利的旋合。

4 螺紋加工數(shù)控程序教學(xué)過(guò)程

通過(guò)對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)中螺紋特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和加工工藝的回顧性教學(xué)，明確螺紋數(shù)控加工的特點(diǎn)、工藝參數(shù)、注意事項(xiàng)；分析選擇的數(shù)控車(chē)削程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)工藝參數(shù)的方法。通過(guò)對(duì)螺紋加工指令G76 的格式分析，讓學(xué)生理解上述加工內(nèi)容在數(shù)控車(chē)削程序中的實(shí)現(xiàn)方法，并掌握數(shù)控車(chē)削程序的編寫(xiě)[2]。

本次實(shí)例的M24 螺紋采用G76 螺紋切削指令完成螺紋的加工，多重螺紋切削循環(huán)G76 的指令格式為：

螺紋相關(guān)參數(shù)定義對(duì)應(yīng)的螺紋加工工藝參數(shù)：

P（m）：螺紋精車(chē)次數(shù)，在螺紋精車(chē)時(shí)，每次的進(jìn)給的切削量等于螺紋精車(chē)的切削量d除以精車(chē)次數(shù)m，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋加工工藝中需要多次精加工去除螺紋毛刺并修正螺紋牙型。

P（r）：螺紋退尾長(zhǎng)度，實(shí)際長(zhǎng)度為0.1×L（L為螺紋螺距），對(duì)應(yīng)分析講解螺紋刀逐漸退出加工。

P（a）：相鄰兩牙螺紋的夾角，對(duì)應(yīng)分析講解斜進(jìn)刀方式的進(jìn)刀角度；

Qmax：第一次螺紋切削深度，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋第一刀切削背吃刀量；

R（d）：螺紋精車(chē)的切削量，對(duì)應(yīng)分析講解預(yù)留給精加工的余量；

X（U）：螺紋終點(diǎn)X軸絕對(duì)坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋加工的小徑；

Z（W）：螺紋終點(diǎn)Z軸的絕對(duì)坐標(biāo)值，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋加工的加速段和減速段；

R（i）：螺紋錐度，螺紋起點(diǎn)與螺紋終點(diǎn)X軸絕對(duì)坐標(biāo)的差值，對(duì)應(yīng)分析錐螺紋加工的直徑差；

P（k）：螺紋牙高，螺紋總切削深度，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋牙高和總吃刀量；

Qmin：螺紋粗車(chē)時(shí)的最小切削量，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋加工背吃刀量逐次遞進(jìn)；

F：公制螺紋螺距，對(duì)應(yīng)分析講解螺紋導(dǎo)程對(duì)車(chē)床主軸旋轉(zhuǎn)和刀具沿軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系[3]；

根據(jù)上述M24X3 螺紋加工工藝分析和多重螺紋切削循環(huán)G76 的指令格式要求，本次實(shí)例的螺紋加工程序如下：

5 利用斯沃?jǐn)?shù)控系統(tǒng)進(jìn)行仿真加工

將上述程序在南京斯沃?jǐn)?shù)控仿真系統(tǒng)中驗(yàn)證程序的正確性，其走刀路線(xiàn)如圖5，經(jīng)過(guò)觀察期走刀路線(xiàn)符合理論分析，模擬仿真結(jié)果如圖6，加工結(jié)果符合實(shí)際情況。由此可見(jiàn)，針對(duì)普通連接螺紋M24 的數(shù)控加工工藝分析和數(shù)控加工符合實(shí)際工程要求。

圖5 斯沃?jǐn)?shù)控仿真系統(tǒng)走刀路線(xiàn)

圖6 斯沃?jǐn)?shù)控仿真加工結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)OBE 工程教育認(rèn)證的要求，以普通連接螺紋M24 的加工為本次實(shí)例教學(xué)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，從螺紋加工五要素出發(fā)，分析螺紋加工的數(shù)控加工工藝，并根據(jù)加工工藝要求選擇加工參數(shù)和數(shù)控指令，然后完成課程知識(shí)點(diǎn)典型結(jié)構(gòu)的數(shù)控程序編程，分析加工工藝參數(shù)在數(shù)控程序中的體現(xiàn)，最后利用斯沃?jǐn)?shù)控仿真驗(yàn)證程序的正確性，完成整個(gè)知識(shí)點(diǎn)的案例教學(xué)。整個(gè)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工程教育認(rèn)證的結(jié)果、能力導(dǎo)向，注重過(guò)程的講解，充分結(jié)合相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，采用現(xiàn)代教學(xué)手段完成教學(xué)過(guò)程。