郭东军，王建波，张竹青，肖龙雪，朱益民

（南通大学 工程训练中心，江苏 南通 226019）

机械制造尤其是先进制造技术已向着高精度、高效率方向发展，高技术产品零件的结构形状愈加复杂，对材料性能的要求越来越高，进而对特殊性能材料的加工提出了更高的要求，在特殊材料、复杂造型、高精度表面、低刚性工件及模具制造等领域中，特种加工已成为关键加工方法[1-2]。国内外经验表明，没有先进的特种加工技术，现代高性能、高质量的产品就难以制造和生产，国内外对此项技术的发展和应用给予了高度重视。

特种加工实训教学对高校工科学生的实践技能和工程能力培养尤为重要，是工程训练中的重要环节。学生通过本课程的学习，能够了解除传统的机械加工方法以外的多种特种加工方法，使学生可以了解机械制造领域的新技术与新发展，培养学生特种加工基本技能和工程应用能力，锻炼学生分析和解决问题的能力[3-4]。因着特种加工在先进制造技术中的重要地位，在高校实训教学中特种加工的建设理应受到重视。

1 特种加工方法简介

特种加工是指直接利用电能、热能、声能、光能、化学能、特殊机械能等能量去除或增加材料从而加工出产品的工艺方法，也叫非传统加工。常用的特种加工方法主要有电火花加工、超声加工、电子束和离子束加工、激光加工、快速成型、电化学加工等方法[5-6]。

电火花加工是指在两电极之间持续发生脉冲性火花放电产生的局部、瞬时高温蚀除掉金属材料的加工方法[7]。电火花加工的工件和工具电极分别连接脉冲电源的正负极，两电极狭小间隙间添加工作液，通电后极间介质发生电离、击穿形成放电通道，介质产生热分解，电极材料熔化、气化产生热膨胀，电极材料抛出，极间介质消电离，加工中不断重复着上述过程。电火花加工方法主要有电火花线切割加工、电火花成型加工、电火花高速小孔加工、电火花刻蚀等[8]。

激光加工是利用激光束发出的能量经过透镜聚焦后引起热效应达到很高的能量密度快速作用在物体上实现加工的，与传统加工技术相比，激光加工材料浪费少、速度快、零件变形小、可加工对象广泛。激光加工包括激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光内雕、激光钻孔和微加工等方法[9]。

快速成形技术是由CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，简称RP技术，习惯上也称为3D 打印技术。快速成型的工作原理可简单归纳为“分层制造、逐层叠加”。快速成型包含光固化成型、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型等技术[10]。

2 特种加工实训教学现状

2.1 特种加工在工程训练中的作用

特种加工实践教学能为学生营造一个接近于企业实际的工程环境，让学生了解特种加工方法与工艺，掌握一定的工程基础知识和操作技能，从而培养学生的工程能力、社会责任感、团队精神、产品质量与安全意识等。能够促进学生独立思考能力、创新能力、动手实践能力和协同工作能力的发展[11-12]。学生从中了解行业发展动态，掌握相关先进制造技术和加工方式，为其工程素质和工程能力的培养奠定基础。

2.2 课程现状及存在问题

2.2.1 涉及的特种加工方法较少、实训设备不足

特种加工作为工程训练的一个实训模块，大多高校通常只开设电火花线切割加工，然而特种加工常用的方法有很多，只开设一种特种加工方法不能满足工程训练课程的教学要求，不能体现特种加工在先进制造中的重要性，不能满足学生学习先进制造新工艺新方法的愿望，不能较好地锻炼学生的动手实践能力及创新能力。因此，特种加工实训教学应当涵盖3～4 种常用方法为宜。

特种加工实训教学需要的设备品种多、价格昂贵，而大多院校经费有限，能够用在工程训练实训教学甚至特种加工上的经费少之又少。目前大多院校只配备了电火花线切割机床，实践教学设备台/套数缺乏。因此学生缺乏实际操作机会，对教学内容理解不透，动手能力得不到锻炼，学习兴趣难以提高。

2.2.2 教学内容不合理，教材选用不合适

现有特种加工教学看重学生编程、画图及动手操作，但对产品设计、工艺分析及工程意识等能力培养在教学中体现不足。

学生的学习离不开教材，特种加工相关的教材很多，但针对实训教学安排与工程训练课程实际很难选到合适的指导教材，不利于学生课前预习及老师教学指导。

2.2.3 特种加工教学方法单调，学时数少

传统特种加工实训教学主要是教师课堂讲授理论知识，在车间讲授与演示机床操作，然后学生在机床上进行练习，或在电脑上画出简单的轮廓图形，再利用机床加工出来。教学方法较为单一，不能有效培养学生的产品设计能力和创新意识等工程素养。

现有工程训练的特种加工实训教学时长一般为8个学时，在一天内完成。倘若涉及多种特种加工方法，如理论讲授和操作演示时间过多，学生作品设计与动手实践的时间就会不足；反之，也会不尽人意，很难达到预期的教学效果。因此，有必要增加特种加工实践课程的课时。

2.2.4 特种加工学生作品脱离工程实际背景

学生在实践环节完成的训练内容一般以作品的形式呈现，通过对教学作品的合理设计与加工，养成工程能力与意识。以往的特种加工教学虽然也运用了项目化教学，但学生的作品仅为一些小工艺品，学生更多地关注作品的美观性，对其加工工艺、结构、精度、表面质量及零件间装配等问题缺乏考虑与锻炼。

3 特种加工综合项目设计

若要特种加工实训教学达到理想的教学效果，应当增加多种特种加工方法，加大对特种加工硬件教学环境建设的投入力度，增加机床的台/套数，延长特种加工实训环节的时长。传统的特种加工实训教学一般只有电火花线切割机床，线切割加工对工件厚度几乎无要求，但效率低、耗工时的特点大大限制了作品的产出。目前多数高校也开设了激光加工的实训教学，激光切割机床对工件的厚度有严格的限制，但加工效率高、省时。3D 打印能够实现结构复杂多变零件的加工，不需要制作模具就可以实现材料的成型。综上可知，电火花线切割和激光切割在工件厚度和加工时效上能够互补，结合3 D 打印技术优势，将多种特种加工方法揉和在一起，对教学方法和教学内容合理设计，充分利用项目化教学方法，开发有特色、有效果的特种加工实训教学综合项目，有效实现特种加工实训教学目标。

3.1 教学目的及要求

特种加工的教学目的是了解特种加工技术在机械制造中的地位与重要性；了解特种加工设备的结构与工作原理；熟悉特种加工机床的操作和基本加工工艺过程；能选用合适的特种加工方法加工零件；能对综合作品进行自主设计、加工与装调。

在教学中，特种加工综合作品的设计及工艺编排是重点，如何根据作品零件结构与工艺特性，选择合适的加工方法和零件的装配调试是实现特种加工高效加工的关键问题。

3.2 教学资源与准备

我校工训中心现有快走丝电火花线切割机床、3D打印机、电火花高速小孔加工机、激光切割机、激光打标机、其他传统加工机床及辅助工具等特种加工设备，机床性能良好，满足特种加工综合项目实训教学的需求。

学生应自主设计作品，加工出零件，零件间能够实现配合关系，实现预期功能，能够组装成有创意的装配体或三维作品。为了使学生能够快速地进入项目中，教师应该提供一些实训教学作品模型，供学生参考而获得创作灵感，如机械手爪、行星轮机构、简易机械机构等，如图1 所示。此外，完成特种加工综合作品的制作，学生除了要学习特种加工基本知识和机床的操作技能之外，还应具备简单的二维/三维制图识图能力和常见机械机构的运动原理与设计方法，如果这些内容学生还未学习，教师可以在项目实施前向学生作简单的介绍。

图1 综合项目创意模型

3.3 综合项目教学设计

3.3.1 教学设计思路

本实训模块是让学生在熟悉多种特种加工方法的工作原理与工艺知识和操作电火花线切割、激光切割、3D 打印等常用特种加工设备的基础上，能够选用合适的特种加工方法制定零件的加工工艺，并将传统加工方法作为辅助手段协调运用，进行综合产品设计及其零部件的制作。为了高效地完成实训教学任务，实现教学目标，在教学设计上应将理论知识、操作技能与职业道德有机结合。项目化教学法尤其适用于实训教学，教学项目出自工程实际，学生能够身临其境地感悟实际工程中遇到的问题，增强解决问题的能力，培养学习积极性、工程素养和团队协作精神。

3.3.2 教学内容设计

特种加工的实训教学可分模块分任务进行，如表1所示，整个特种加工分为特种加工基础知识、机床操作训练和项目训练3 个模块，每个模块包括若干个任务。特种加工基础知识包含4 个任务，每个任务中又包含若干个知识点，教师对各个任务花费15～20 min的时间讲解，教师通过讲授和问题探讨的方式，结合课件及视频等资源，使学生对特种加工基础知识有一定的了解和认识。需要操作的特种加工机床包括电火花线切割机床、激光切割机床、3D 打印机，还有其他设备如电火花小孔加工机、激光打标机等。有些设备操作简单，如3D 打印、小孔加工，有些设备操作稍复杂，如激光加工等，教师应适当安排约2.5 学时的时间讲演与示范操作。学生可分批次对机床的操作进行练习，教师要特别强调各机床的安全操作规程，使学生养成必要的安全意识与工程规范。

表1 特种加工实训内容及任务分解表

3.3.3 项目实施过程

特种加工实训综合项目是在以往线切割实训的基础上整合其他特种加工方法开发而来，综合项目由教师与学生共同实施，其流程如图2 所示。在项目的执行过程中，各小组学生在组长带领下分工协作、积极探讨、共同提高，成为整个教学活动的“主角”。教师则成为“配角”，为各项目小组提供技术支持与后勤保障，并根据项目开展过程中的共性和个性问题，灵活多样地采用课堂讲解、专题讨论、个别指导等教学形式加以解决。教师要加强巡视，及时提醒学生注意安全事项与项目进度，指导学生操作规范、装夹方式以及工艺参数选择等，教师应发挥项目进程中的主导作用，学生要展现学习中的主体地位。

图2 特种加工综合项目实施流程图

为了调动学生学习的积极性，学生分成若干小组，组内讨论相互提高，边学边练边做地开展、完成项目。在保质、保量完成任务的前提下，鼓励学生组间竞赛，在作品质量和进度上一决高下，有意识地锻炼学生的质量观和时间观，培养学生全面思考的思维意识，真正达成 “保质、保量、高效完成任务” 的目标。

3.4 实训效果

通过特种加工综合项目的实施，培养了学生对于设备、量具、计算机、制图软件等方面的操作与应用技能，学生增强了动手能力和实践能力。不像传统切削加工那样操作繁琐、工艺复杂，特种加工不需要学生掌握复杂工艺知识，也不受专业基础知识储备的限制，简单易学，容易上手，提高了学生学习的主观能动性和创造力，利于培养学生的实践精神和创新意识。

通过特种加工综合项目的实施，学生认识了机械制造的一般过程。学生经历了方案探讨、功能分析、图形设计、工艺分析、零件加工、装配与调试等产品制作的基本过程，初步了解了工程项目的一般方法。综合项目来自工程实际，加强了学生对特种加工技术基本理论的理解，提高了学生分析与解决工程实际问题的能力，使其对安全、质量、责任、团队协作、环保、成本等基本工程要素有了更深的认识，提高了工程意识。教学实践中部分学生作品如图3 所示。

图3 学生作品赏析

4 结语

文中所涉及的有关特种加工综合实训教学项目的设计，是在长期实践教学中分析总结所得，在实际教学中取得了一定的教学效果，产生了很多优秀的学生作品。今后仍需要在实训教学中不断地实践、总结，持续改进与补充，从而获取更适合工程训练实训教学的特种加工项目方案。特种加工综合项目的开发可以为其他实训课程开展综合项目教学提供借鉴。工程训练实训教学应在高素质综合型人才的培养过程中发挥更大的作用，创办出高校自己独特的工程训练实训教学特色，助推高校的新工科建设。