“特种加工”课程教学中若干关键问题的思考

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摘要：“特种加工”是一门涉及面广、工程背景强的课程，针对“特种加工”课程的现状，从特种加工及其影响，辩证观点在教学过程中的应用等方面探讨了“特种加工”课程中的若干关键问题。

关键词：特种加工；教学；辩证思想

作者简介：阿达依·谢尔亚孜旦（1963-），男，哈萨克族，新疆阿勒泰人，新疆大学机械工程学院，教授。（新疆 乌鲁木齐 830047）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）31-0125-02

20世纪40年代后，社会的发展与科学技术的进步对物质对象使用性能所提出的要求使产品向高精度、高速度、高温、高压、个性化、大型化及微细化等方向发展，尤其是21世纪以来，社会公众环境保护意识的提高，使“节能、减排及降耗”的环境保护措施提升到国家战略层面，对产品的使用性能提出了更高的要求，不仅要求高寿命、低磨损、低噪音，而且还要求更高的安全性及可靠性。这些要求使得产品的制造或加工面临诸多问题，如：硬质合金、钛合金以及半导体材料锗、硅等各种难切削材料的加工问题；各种异型孔、薄壁件以及窄缝等特殊复杂结构的加工问题；各种微米、纳米级孔及轴等的加工问题。

实践表明，车、铣、磨及钻等传统的加工方法或手段难以解决上述加工问题。其主要原因在于这些传统加工方法或手段要求工具的硬度大于被加工对象的硬度；同时，这些传统的加工手段对能量的利用也主要局限在机械能的使用。

针对传统加工方法或手段的不足，人们不仅开始探索用软的工具对硬的加工对象实施加工或处理，而且采用电、光、声及化学能等多种能量形式来处理加工对象，并在此基础上形成了以电火花加工、电化学加工、三束加工（电子束、离子束及激光束加工）以及超声波加工为典型代表的非传统加工或非常规机械加工方法（习惯上称为特种加工）。

由于具有在加工过程中无明显机械力作用以及能量使用的多样性等特点，因此，近十几年以来，非传统加工方法得到迅速发展，应用也愈来愈广泛，并成为先进制造技术（如快速成形或3D打印技术）中不可或缺的关键加工手段。针对这种现状，国内高校，尤其是“985”高校相关专业不仅对本科生、硕士研究生以及博士研究生开设“特种加工”这门课程，而且将其作为专业基础课或专业主干课程，并在教学过程中积累了大量的教学与实践经验。本文主要探讨“特种加工”课程在教学过程的若干问题及其体会，以便不断地提高教学质量。

一、特种加工及其影响

特种加工是指传统的加工方法（如车、铣、刨、磨、钻以及研磨等）以外的加工方法。[1]相对于传统的加工方法，特种加工最显著的特点是不再主要依赖机械能，而是直接或复合利用电能、化学能、声能以及热能等对加工对象实施加工、处理。特种加工对能量有效利用的多样性的特点不仅对传统的机械设计、制造等理念产生了巨大的冲击，而且也深化了对加工本质的认识，即加工的本质是有规律的破坏，表现特征为被加工对象物料的增加、减少或变形。

因此，在教学过程中，特种加工的概念及其影响应作为核心内容，通过大量的实例讲解，不仅可培养学生以点到面的发散性思维、拓展学生的知识面，而且还可通过对理论到工程应用的认识，强化、提升学生对基础理论的认识，为学生创新能力的培养奠定良好的思维和理论基础。为此，在注重教材中所述实例讲解的同时，应更多地将特种加工的特点与最新研究、应用成果相结合作为重要内容来讲解；同时，在讲解过程中既要注意严密的逻辑言语的表述，又要注意知识面的延续与拓展。以下是笔者在讲解特种加工对材料可加工性影响时的一个实例。

传统的机械设计、制造理念认为：材料的可加工性直接与材料的硬度、强度等机械性能有关。如硬度很高的金刚石、玻璃、陶瓷等材料难以用传统的加工方法加工，但可以用电火花、超声波、激光等特种加工方法实现加工。这实际上反映了材料可加工性的延展。

材料可加工性的拓展，也为提高材料的使用性能提供了处理手段。如为提高铝及铝合金的耐磨、耐腐蚀性能，可基于电火花、电化学和化学等综合利用使铝及铝合金表面生长、形成一层很薄的以Al2O3为主的陶瓷薄层。又如，传统的加工方法所获得的零件表面微观几何轮廓是“尖峰”状的，而使用电化学加工可获得“高原”型的表面微观几何轮廓（见图1所示）。表面微观几何轮廓的这种差异，直接导致了零件具有不同的使用性能。[2]

特种加工方法不仅拓展了材料的可加工性，提供了材料表面改性的有利手段，而且也对零件（产品）的结构设计与制造工艺路线的制定等产生了深远影响。在传统的结构设计理念中，除非特殊需要，“方”孔（见图2所示）一般被认为是结构设计不合理。其主要原因在于传统意义上的“孔”在几何轮廓上被认为是“圆”，因此，在加工上主要是采用“钻”的加工手段。目前，特征加工方法对各种异型孔均可实现加工。与此同时，加工方法的改变，也使对事物的认识得到深化。如，在传统的机械设计与制造中，“孔”和“型腔”一般被认为是不同的事物，但在特种加工技术产生后，不仅“孔”和“型腔”都归属同一类（型腔被认为是“各种形式的盲孔”），而且可加工各种弯孔，见图2所示。

尽管图2（e）所示的异型孔较为复杂，但利用零件几何构成要素分析原理的讲解，应引出“任何零件的型面都是由‘点’构成的”这一重要结论；同时，不仅结合齿轮的展成法加工指出“点是零件型面成形的基础”，而且还指出“点的加工是数控加工技术的基石”这一十分重要的结论。

“特种加工”课程的授课过程，不仅应拓展学生的知识面，还应结合学生现实生活中的实例提升或深化学生对基础理论知识的理解。如：目前大学生每天都在使用手机或计算机，或者说几乎每天都与电源插座的火花放电产生“亲密”的接触。当长期使用电源插座或插头后，就会发现，原本光滑的金属表面变得凹凸不平。虽然这一过程的表面现象是火花放电使原本光滑金属表面的材料局部区域“增加”或“减少”，但却可以反映加工的本质，即“对破坏现象的有效利用可以实现加工”，或者说，“有规律的破坏就是加工”。

在上述加工本质的讲解中，实际上包含着辩证法的应用。

二、特种加工教学中辩证思想的应用

在“特种加工”课程的教学中，应注重辩证思想的应用。为此，特种加工中的各种加工方法的产生过程应是授课的另一个核心内容。通过“细节决定成败，过程重于结果，辩证地分析问题”理念的阐述，可为学生提供良好的创新思维方向；同时，也有利于学生掌握各种特种加工方法内在的规律。

1.充分利用对立统一规律

由于金属的腐蚀现象几乎无处不在，同时，其危害和损失巨大，因此，在常规条件下，并不希望金属腐蚀现象产生，而且利用各种方法和手段（如阴极保护法、阳极保护法等）阻止金属腐蚀现象发生。虽然，金属腐蚀的机理十分复杂，但其表象却是金属表面材料的局部缺失，或者说是金属表面材料局部区域的减少。由于零件的加工无非是构成零件材料材质的“增”或“减”，因此，金属的腐蚀现象可用于加工，并逐步形成了化学铣削、化学抛光以及现代微细加工（微机械、微电子）技术的基本工艺方法之一的化学蚀刻技术。

2.充分利用矛盾的两个方面

化学过程一般都有氧化和还原两个过程，这是体现事物的两个方面的一个典型实例。显然，提高氧化和还原的速度，可以提高加工效率。虽然提高得失电子速度的途径很多，但目前可利用外加电场的手段加快这一过程，这就是电化学加工方法的基本出发点。值得关注的是，电化学反应过程中氧化过程是电解加工、电化学光整加工的基础，而电化学反应过程中的还原反应则被有效利用于电铸、电镀乃至3D打印技术中。

3.强化“观察现象，分析问题，变废为宝”能力的培养

自远古时代，人类就注意到雷电的巨大破坏力，但将雷电形成过程用于加工则源于前苏联学者尤特金。20世纪30年代，当尤特金观察到白海海湾的巨雷掀起一股巨大的水柱后，便开始进行水中放电的实验研究，最终形成了电水锤加工（也称电液加工）方法，目前，电水锤加工被用于成型、破碎、清理以及清洗等诸多加工领域。

分析电水锤加工方法的产生过程，不难发现，与电火花加工以及电化学加工等方法类似，都是受破坏启发而来，或者说，都有“变废为宝”的基本思想。其基本出发点是辨证的观点，即事物既有矛盾的方面，又有对立统一的一面。

特种加工中充满了辩证的思想，也是机械加工技术中最能体现辨证法思想的课程。因此，在教学过程，不断地引入辨证的思想，不仅可培养学生的创新能力，为创新提供一个方向，而且还可提高教学质量，提升教学效果。

三、多元化教学手段在“特种加工”教学中的应用

“特种加工”课程是一门涉及面广、综合性及工程背景强的课程。其授课内容不仅涉及到物理、化学、材料、控制以及计算机等多门学科的基础知识，还涉及到相关学科的最新成果及其应用。显然，采用多媒体教学可以缓解目前“特种加工”课程的教学所面临诸如课时不断被缩减，该领域新技术、新工艺又不断涌现等矛盾。尽管多媒体教学具有授课内容生动、信息量大等优势，但单纯采用多媒体教学，教学效果不会提高，反而下降。因此在特种加工的授课过程中应采用多元化教学手段。

1.多媒体的应用要合理

运用多媒体教学，首要的工作是制作适合学生及教学的多媒体课件。为此，需注意：课件的背景及布局要合理，一些与课程内容无关的图片、动画内容，尽可能少，建议采用白底黑字；每一页中的授课内容要精简，字体适中，条例清晰，重点突出，强化每页之间的逻辑关系；翻页的速度要适中，以便学生有足够的时间阅读、理解和记录；便于引导学生思考。

2.要有一定的板书量

由于授课过程中受各种因素的影响，因此，在多媒体课件中不可能将所有问题都准备齐全，因此，在授课过程中，应提倡板书教学，以便对相关问题进行详细、充分的说明。

3.要安排学生讲课，但量一定要适中

在教学过程中，为充分调动学生的积极性，建议安排学生讲解一定的相关内容。这不仅能使学生的角色发生变化，由学的过程参与到教的过程，包括多媒体课件的制作等环节，而且学生还可在教的过程中锻炼语言的表达能力以及提高自信心等，为以后的工作奠定良好的基础。

4.课堂讨论、辩论

本着“事辩则明”的思想，应组织学生讨论、辩论。解决问题的方案具有多样性，不应具有标准答案。根据课程的内容，依据学生的兴趣，自拟命题，组织学生讨论。实践表明，课堂讨论、辩论不仅显著地提高教学效果，而且还可提高学生查阅相关文献、应用相关文献的能力。

5.强化实践教学

在完成教学大纲要求的演示实验环节的基础上，应安排给学生一定量的亲自动手实验环节和自行设计实验的环节。

参考文献：

[1]刘晋春，赵家齐，赵万生.特种加工[M].第四版.北京：机械工业出版社，2004.

[2]阿达依·谢尔亚孜旦.螺旋锥齿轮电化学光整加工技术基础研究[D].大连：大连理工大学，2007.