孫遠韜 酈瀅澄 劉廣軍

［摘 要］ 隨著新課程改革的實施和推進，實踐教學得到了越來越多的關注。實踐教學作為理論聯(lián)系實際的重要手段，有利于學生掌握科學方法，提高操作能力，對學生專業(yè)核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展起到良好的促進作用。為增強學生對齒輪加工過程的理解，基于齒輪制造加工基本原理介紹了齒形加工的方法和過程，闡述了齒輪測量和無損探傷的主要環(huán)節(jié)，說明了齒輪箱裝配的基本流程。通過實踐教學將專業(yè)基礎理論和工程實際相結合，對實驗、實習和課程設計等教學環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)的設計。在教學和實踐各個環(huán)節(jié)的共同作用下，有利于充分培養(yǎng)學生的專業(yè)實踐能力和工程意識。

［關鍵詞］ 專業(yè)實習；齒輪加工；教學過程

［基金項目］ 2022年度同濟大學教育教學改革重點項目“思政—技能融合的現(xiàn)代機械工程師專業(yè)實習路徑探索研究”；2022年度同濟大學教育教學改革培育項目“理論與實踐融合的教學團隊構建”

［作者簡介］ 孫遠韜（1979—），男，湖北武漢人，工學博士，同濟大學機械與能源工程學院副教授，博士生導師，主要從事機械設計及理論研究；酈瀅澄（2000—），女，浙江諸暨人，工學學士，同濟大學機械與能源工程學院2022級機械設計及理論專業(yè)碩士研究生，研究方向為機械設計及理論；劉廣軍（1979—），男，內蒙古赤峰人，工學博士，同濟大學機械與能源工程學院教授，博士生導師，主要從事機械設計及理論研究。

［中圖分類號］ G420［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）18-0077-04［收稿日期］ 2022-10-18

引言

近年來，各高校都在大力強化實踐教學改革，加強實踐育人，構建理論與實踐、科研與教學、虛擬與現(xiàn)實、線上與線下、學校和企業(yè)深度融合的實踐體系，注重實踐體系的完整性、前瞻性和連貫性，重塑實踐環(huán)節(jié)內涵。

齒輪工業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎性產業(yè)，齒輪作為傳遞動力的重要機械零件之一，憑借其傳動準確、結構緊湊等特點，廣泛應用于現(xiàn)代機械設備中［1］。齒輪是利用齒與齒的嚙合來進行工作的，由一對模數(shù)相同的齒輪相互嚙合將動力由一軸傳送到另一軸上［2-3］。齒輪生產和加工行業(yè)的轉型升級，對加快我國制造業(yè)高水平發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。對于同濟大學機械專業(yè)的“機械設計”“機械設計課程設計”等理論課程，需要學生熟悉齒輪傳動的類型、特點和應用，掌握齒輪精度等級的選擇，了解齒輪傳動的失效形式和計算準則，理解齒輪的設計過程和加工原理，了解齒輪傳動的發(fā)展過程和未來趨勢，使學生在綜合考慮制造工藝、使用、維護、經濟和安全等問題的情況下進行機械設計，培養(yǎng)學生的思維能力和工程意識。同時，對于實際工程而言，齒輪加工是實現(xiàn)產品設計、保障產品功能的重要手段，掌握齒輪零件的加工過程、熟悉各種材料的性能特點及熱處理方法，能夠運用理論和經驗儲備解決現(xiàn)場出現(xiàn)的一般工藝問題顯得尤為重要。同濟大學機械專業(yè)針對齒輪制造和加工的復雜流程，進行了深入的專業(yè)實習，引導學生全面了解齒輪加工的方法和過程，掌握齒輪檢測主要內容和齒輪箱裝配的主要流程，將齒輪計算的理論知識與加工對應起來，實現(xiàn)理論認知與實踐的統(tǒng)一，有利于學生掌握其最新的發(fā)展趨勢，提高齒輪的設計能力和加工水平。

一、齒輪加工認知實踐內容

理論始終指導著實踐，實踐不斷升華理論，教學從齒輪傳動基本原理入手，通過現(xiàn)場實踐講解齒輪加工的基本理論，解構相關齒輪加工的知識，加深學生對齒輪加工過程的認識。同時基于實際工程案例，說明齒輪加工不同形式在不同傳動方式中的作用，從而進一步重構齒輪傳動的知識體系，實現(xiàn)從齒輪本身設計到加工及其工程應用的全面認知。

為了提高實習過程成效，讓學生理解所設計齒輪的主要參數(shù)和加工過程，理解產品下線后的檢測方法，以及在形成合格產品后如何進行裝配，本實習通過企業(yè)實習的方式，由學校教師為學生進行理論知識鋪墊，引導學生熟悉齒輪傳動的主要原理，且通過企業(yè)導師示范讓學生了解加工過程，并進行部分科目的獨立練習和考核。在示范階段，企業(yè)導師首先播放規(guī)范操作視頻短片，指導學生進行基礎加工，使學生對整體有一個清晰的認識。在加工的實踐環(huán)節(jié)中，通過對重要的加工、檢測步驟進行實物操作演示，并對每一步拆裝過程進行詳細講解，使學生對整個操作流程有了更為具體的了解。接著，學生以小組的形式對齒輪加工和檢測過程的問題進行探討，利用現(xiàn)有理論知識儲備，結合實踐學習加工和測量工具的操作規(guī)范，采用課題互動、小組討論等一系列方式調動學生的積極性，加深對齒輪設計和制造過程的認識。

二、齒輪加工實踐教學過程

齒輪加工實踐教學過程主要包含專業(yè)技術人員專題講座、現(xiàn)場操作觀摩、教師現(xiàn)場指導和答疑，以及學生撰寫實習報告。實習的任務是讓學生熟悉齒輪的加工過程，明確齒輪加工過程的標準和規(guī)范，了解生產中的技術革新方法，培養(yǎng)分析和解決問題的意識和能力。

在“機械制造工藝學”課程中，學生已經學習了各種切削工藝、熱處理技術等，對齒輪加工的基本流程有了簡單的認識。齒輪加工是一種采用機械手段，以獲得滿足一定齒輪結構和精度要求的工藝過程，主要分為四個步驟：首先，在鍛造制坯后對齒輪進行正火處理，其目的是獲得合適的切削加工硬度，以減少熱處理環(huán)節(jié)產生的變形；其次，需對齒輪進行切削加工以獲得滿足要求的齒形，目前從原理上主要分為成型法和展成法兩大方法；再次，為保證齒輪良好的力學性能，需對齒輪進行熱處理，一般采用滲碳淬火，通過滲碳提高工件表面硬度，從而提高其耐磨程度；最后，對熱處理后的齒輪進行精車和磨齒，以修正齒輪淬火后所引起的齒形變形，提高尺寸精度，減少形位公差［4］。齒輪的加工由若干工序組成，齒形加工作為最關鍵的環(huán)節(jié)，對齒輪的精度等級起著重要作用，因而整個加工過程主要圍繞其展開，實習的重點也圍繞齒形加工進行。齒形的加工方法主要有滾齒、插齒、銑齒和磨齒四種，其中滾齒和插齒屬于展成法加工，銑齒和磨齒則屬于成型法加工。

在實習過程中，教師先對齒形加工四種方法的操作過程進行詳細講解。隨后，企業(yè)導師為學生進行了現(xiàn)場操作演示，并對加工過程中的關鍵點進行拆解分析。滾齒作為展成法加工齒輪的方法，加工過程中以滾刀的旋轉作為主運動，而固定在加工臺上的工件也會按一定轉速轉動來模擬嚙合，同時滾刀往上或者往下移動，使得整個齒寬上都能切出齒形。學生在觀摩了這一加工過程后，對采用滾刀滾齒模擬蝸輪蝸桿的嚙合過程這一環(huán)節(jié)有了更加深刻的印象。相較于滾齒，插齒加工一般情況下用于插內齒，也有些不易滾齒的外齒輪會用到插齒加工。加工時插齒刀上下往復運動，并且以一定轉速轉動，以對內齒輪進行插齒加工。此時工件被固定在工作臺上，并隨著插齒刀的上下運動和轉動而轉動，用以模擬嚙合過程。在完成操作演示后，教師對展成法加工的操作過程進行提問，針對學生的回答，教師對展成法加工的注意點以及優(yōu)缺點進行總結。接著，教師對成型法齒形加工的操作步驟進行展示。在銑齒加工時，根據(jù)齒輪的模數(shù)和齒數(shù)選擇合適的銑刀刀號，徑向進刀量等于齒全高。銑好一個齒槽后，用萬能分度頭進行一次分齒，再銑下一個齒槽，直到加工完所有的齒。磨齒加工時，其刀具與工作臺的運動方式與銑齒相同。通過對比四種不同的齒形加工方法，使學生對不同齒形加工方法的加工特點及適用情況有了一定了解。

三、齒輪檢測實踐教學過程

在完成齒輪加工后，學生對各類齒輪進行觀察，通過觀察發(fā)現(xiàn)：采用同種加工方法加工的齒輪間也存在著微小的差異即加工誤差。這些誤差對齒輪傳動系統(tǒng)的精度和可靠性將產生較大影響。因此，測量、分析以及合理控制齒輪誤差在設計和制造過程中顯得尤為重要。此外，對于工件生產過程中產生的缺陷問題，多采用無損探傷技術進行檢測。利用無損探傷技術，將檢測到的質量信息反饋給設計和工藝部門，可以對相關生產工藝進行改進，從而提高生產效率，增加產品的可靠性和安全度。

（一）齒輪誤差測量

在先前課程中，學生對加工精度誤差有了一定的了解，在齒輪加工過程中，由于各種因素的影響，使得刀具與工件之間正確的相對位置發(fā)生偏移，因而加工出的零件不可能與要求完全符合，故需對齒輪進行檢測以保證齒輪成品的質量和性能。齒輪檢測儀可以檢測齒形誤差、齒向誤差、徑跳、公法線等。

教師在操作齒輪測量儀時，對齒向及齒形誤差的概念進行了詳細闡述。同時針對檢測結果，對可能引起齒輪加工誤差的原因進行提問。學生通過回憶齒形加工環(huán)節(jié)的操作步驟，思考可能產生誤差的操作步驟。齒形誤差產生的原因包括加工時滾刀的齒形誤差、刀具的軸向和徑向竄動等。齒向誤差產生的原因包括刀具和工件的安裝誤差、加工機床的精度等級，以及熱處理過程中形變的影響等。這一環(huán)節(jié)進一步加深了學生對加工規(guī)范的認識，同時對加工精度與加工誤差也有了更為直觀的理解。

（二）齒輪箱形位公差測量

齒輪箱關注的形位精度有平行度（一對軸承座孔的軸線）、圓柱度（軸承座）、平面度（與端蓋配合的端面）等。目前，齒輪箱形位公差測量主要采用三坐標測量儀。在實習過程中，教師先對三坐標測量儀的各部分進行介紹，然后進行操作演示并引導學生分組操作。正式測量前，首先應帶領學生檢查齒輪箱箱體與探針的擺放是否一致，同時，學生根據(jù)箱體特征及測量的要求和方法，規(guī)劃合理的檢測方案［5］。在對被檢測的部位進行清洗后，手動操縱三坐標儀，確定與程序中對應的齒輪箱檢測原點（基準），如以齒輪箱輸入軸與端蓋接合端面圓心為原點，并選擇相應X軸、Y軸。最后，啟動程序，計算機自動檢測齒輪箱的各個特征并輸出報告。教師在學生操作三坐標檢測儀時對重點步驟進行指導，如基準的選擇、工件的擺放等。三坐標測量儀的測量精度較高，微小的差錯就會對結果產生較大影響。因此學生在測量時，要保證工件放置精度，保證工件實際確定的坐標軸與計算機中工件模型坐標軸有一定的重合精度，否則檢測將出現(xiàn)較大誤差。例如，振華廠區(qū)土壤松軟，產生的變形使得三坐標儀檢測平臺傾斜，工件實際坐標軸與計算機中的坐標軸出現(xiàn)偏差，造成三坐標儀所走路徑（若為圓?。┫鄬ぜ窂剑▽崬闄E圓）不一致，從而使測量產生較大誤差［6］。

（三）齒輪無損探傷

齒輪在制造和運行的過程中，由于生產工藝和載荷的影響易產生缺陷，而齒輪檢測是保障傳動設備穩(wěn)定運行的重要途徑。無損探傷能夠在不破壞齒輪結構的前提下，檢測齒輪的結構和性能是否滿足使用要求。

在實習過程中，教師主要對超聲波探傷儀和磁粉探傷機的無損探傷過程進行講解。企業(yè)導師將一個表面有損傷的工件作為樣本，為學生演示探傷過程。超聲波探傷儀可以探測工件內部損傷，一般在加工前、粗車后熱處理前和精車后這三個時段使用。其探測原理是利用超聲波的方向性和反射性，使超聲波從工件表面向里傳播，若工件內部有裂紋、疏松、氣孔、夾渣等缺陷，超聲波接觸到與工件材料不同的介質就會反射回來，并把反射處的深度反饋給儀器。超聲波探傷儀顯示的讀數(shù)代表深度，學生通過對比探測開始時和結束時儀器顯示屏的示數(shù)，判斷工件是否存在損傷。

磁粉探傷機需將探傷的工件裝夾在操作臺上，表面噴上磁粉，給兩個圓環(huán)通入環(huán)形電流，以產生軸向的磁場，而在左右兩端的圓盤和工件間的導體圓棒間通入軸向電流，以產生環(huán)繞工件的磁場。此時，教師帶領學生觀察表面磁粉分布情況，若工件表面有缺陷，橫向的缺陷會阻斷環(huán)形磁場，縱向的缺陷會阻斷軸向磁場，兩種情況下磁粉都會在缺陷處堆積，在適當?shù)墓庹障驴梢钥吹酱欧鄱逊e部位，這樣便可以檢測工件表面的缺陷，工件表面往里1 mm深度以內的缺陷均可以被探測到。

四、齒輪箱裝配實踐教學過程

齒輪箱結構設計和裝配的合理性是保證箱體質量的前提。在裝配實習中，學生需要熟悉齒輪箱的內部具體結構，如齒輪、軸承和鍵等。在演示環(huán)節(jié)，教師將齒輪箱擺放在專用的工作臺上，同時準備好手錘、內六角扳手等工具。裝配時需注意裝配次序，先安裝較難安裝的零件，后安裝容易安裝的零件；此外，可能存在干涉的零件也需要優(yōu)先安裝。裝配過程中需保證各零件裝配到位，如齒輪和軸承裝配時應與其軸向定位零件的端面貼合，避免由于間隙過大而使工作時載荷分布不均勻，引起應力集中，從而對齒輪的使用壽命產生較大影響。

學生在拿到齒輪箱總圖后，應先對箱體結構進行分析，明確各軸傳遞參數(shù)，確定齒輪箱潤滑方式及油路結構，從而確定各零件間的配合關系。在明確上述內容后，再對齒輪箱裝配的工序步驟進行劃分，確定裝配所需的各類輔助工件［7］。根據(jù)裝配圖對齒輪箱進行裝配，有助于學生建立空間的概念，熟悉各零件及其連接關系，為學生研究各類減速箱的結構和功能打下良好的基礎。同時，教師引導學生觀察齒輪箱箱體內齒輪的傳動和輸入、輸出軸的轉動情況，有利于加深學生對齒輪箱性能的認識。

結語

通過實踐教學可以使學生更為直觀地了解現(xiàn)實生產過程，將理論課程所學應用于工程實際，直接獲得直觀真實的技術知識。在齒輪制造和加工的專業(yè)實習中，通過教師的現(xiàn)場教學，學生對齒輪齒形的加工方法、齒形測量與無損探傷、齒輪箱形位公差測量與裝配過程有了整體清晰的認識。在教學過程中對主要的加工、測量環(huán)節(jié)進行實物操作演示，并對各步驟進行詳細拆分講解，實現(xiàn)了理論與實踐的有機結合，加深了學生對齒輪制造和加工行業(yè)的認識，有助于提高學生的實踐操作能力和思考能力，同時也使專業(yè)課教學更好地適應行業(yè)發(fā)展，最終實現(xiàn)為國家和社會培養(yǎng)專業(yè)型人才的目標。

參考文獻

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［6］謝華錕，馮剛，傅瑛，等.齒輪精度理論和測量技術的發(fā)展［J］.工具技術，2009，43（11）：3-7.

［7］鄒俊偉.齒輪箱裝配工藝分析［J］.機械工程師，2014（12）：

276-277.

Exploration of the Teaching Process of Gear Machining in Mechanical Practice

SUN Yuan-tao， LI Ying-cheng， LIU Guang-jun

（School of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： With the promotion of the new curriculum reform， practical teaching has received more and more attention. As a significant means of integrating theory with practice， practical teaching plays an important role in promoting students to master scientific methods and improve their operational ability， and also contributes to the development of students professional core literacy. In order to enhance students understanding of gear processing， based on the basic principle of gear manufacturing and processing， this paper introduces the method and process of gear profile processing， explains the main steps of gear measurement and non-destructive testing， and illustrates the basic process of gearbox assembly. Through practical teaching， the basic theory of the specialty is combined with the engineering practice， and the teaching links such as experiment， practice， and curriculum design are systematically designed. With the combined effect of all links of teaching and practice， it helps to fully cultivate students professional practical ability and engineering awareness.

Key words： professional practice; gear manufacturing; teaching process