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摘 要 针对刀具结构教学的困难，分析产生难点的原因，提出通过合理设计车刀结构展示教具、介绍刀具刃磨知识和利用信息技术辅助刀具结构认识的教学改进方法。
关键词 机械制造课程；刀具结构；刀具教学；信息技术
中图分类号：G642.4 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）12-0109-03
Abstract Aiming at the difficulties in the teaching tool structure， the general reasons are analyzed. The teaching improvement methods including the display design of cutter structure， the introduction of tool grinding knowledge， and the cognition of tool structure using information technology are proposed.
Key words mechanical manufacturing course； tool structure； tool teaching； information technology
1 刀具结构教学背景及现状
机械制造技术基础课程是基于国家教育部“面向二十一世纪教学内容和课程体系改革”，按照新课程体系要求，将机械加工工艺基础、金属切削原理和刀具等课程合并成的一门专业主干课程[1]。其中，“金属切削原理和刀具”部分主要介绍金属切削的成型原理、刀具结构和切削条件的选择，是该课程的一个重点和难点。当前，由于新课程体系对该部分内容有较大幅度精简，相对于以往其知识体系不完整，给实际教学带来一些困难。该部分由于刀具角度繁杂、参考平面及坐标系较多，其空间关系结构多样，致使学生普遍反映在某些概念的理解和掌握上存在一定的困难，缺乏空间想象力，并且教师基于现有条件也难以形象直观地描绘出来，在测绘车刀结构相关实验中学生实践操作情况不理想，也间接地导致后续的切削条件选择教学难以有效开展，严重影响本课程的整体教学效果。
机械制造技术教材多以车刀为例，讲解刀具的参考系和几何角度。通常从介绍基面Pr，切削平面Ps等参考系平面入手，基于参考系平面与切削刃的关系定义出所有刀具角度，最后再介绍角度转换公式[2]。由于这部分概念多，几何关系复杂，教材展示也不直观，学生只能凭空想象，理解起来有困难。而部分职业学校的教学中，为了便于学生理解，将金属切削刀具与生活中的切割工具作类比，来解释刀具结构与几何角度，虽然较为生动，但显然理论论证不充分，语言过于啰嗦，并不适合工程师的培养[3-4]。
2 教学难点成因分析
针对刀具教学的困难，笔者通过长期教学体会以及与学生的交流探讨，总结出以下几点原因。
刀具几何结构的相对复杂性 刀具是机械制造中用于切削加工的工具，它的设计与切削原理密不可分。刀具的结构是针对不同的加工材料，考虑刀头应力、散热、排屑、磨损等因素，综合设计的产物。因此，刀具是一个相对复杂的多面体，其几何参数将影响切削加工时的切削力和散热，并深刻地影响机械加工工艺质量。
刀具的几何结构建模方法，必须能有效体现刀具结构对切削过程的影响，建模方法较为特殊。以车刀为例，车刀的参考系主要有三种，即正交平面参考系、法平面参考系、假定工作平面—背平面参考系。3个参考系共计10个定义参考平面和2条切削刃，再由它们之间的空间关系定义18个刀具静态角度，不同参考系的角度之间具有复杂的三角函数换算关系。
实际教学中，刀具参考面多、静态角度多，学生易受不同参考系中类似的角度和参考面的影响而混淆相关内容。以后角为例，教材中介绍后角αo、副后角αo′、法后角αn、副法后角αn′等8个定义类似的角度，且它们的定义既有区别又有联系。类似的还有前角，十分繁杂，记忆困难。不仅如此，参考平面之间通常不是垂直关系，由于切削方式不同，也时常发生位置变化，刀具切削部分又集中在一个较小的工作区域，仅凭空间想象和实物观察，是难以将这些数量繁多、结构复杂的空间线面、面面关系清晰直观地了解清楚的。
课程体系变化导致基础不完备 刀具结构教学困难的根源，就是学生对刀具的建模和表达的理解混乱，这是工程图学课程训练不足导致的。相比以往的教学体系，大部分高校已取消机械类专业原画法几何课程，而工程图学课程也进行了相应的简化，因而学生对较复杂结构工件制图和读图的能力有所退步。以车刀建模为例，刀具静态角度无法用三视图表达，需要用变换投影面法对不同参考平面进行投影，才能标注角度参数，这也是部分画法几何课程教材的示例和训练题。而现在的学生没有相关基础，自然在教学中对刀具的工程图表达十分茫然，无法读出有效信息。在车刀角度测绘实验中也不会通过换面法和正确剖切的手段，正确绘制出刀具的几何形状，自然实验报告错漏百出。
教材内容陈旧和缺乏工程实践 机械制造技术基础课程教材繁多，其主干内容也是由机械加工工艺基础、金属切削原理和刀具课程教材节选整合而来。图1是教材中的常见配图，展示了车刀正交平面和法平面参考系，但显然只展示了参考系平面，至于刀具角度已经被参考面本身挡住，只能凭借想象，如此教材学生自然理解困难。学生实践机会较少，对金属切削加工和刀具缺乏认识，单独从理论上去理解刀具结构和切削现象，既不直观又很枯燥。以金工实习为例，机床的刀具已经由工人师傅刃磨好，直接可以供学生使用，学生没有刀具成型过程的概念。刀具的刃磨是车削工艺的重中之重，作为未来的工程师，对此毫无了解，显然是一个缺憾。
3 教学改进建议
针对刀具结构教学的难点，开展辅助刀具结构教学的教具研发和教改探索。在现行课程体系下，如何做到在有限的课时内让学生对刀具结构有深刻认识？笔者认为主要需要以下几个方面进行改进。 合理设计教具 相比于原金属切削原理与刀具课程，现机械制造课程的课时和教材内容受到压缩，而要掌握的主干知识却并没有减少。被精简的内容也以辅助理解的工程背景为主，面对高度概括的教材，学生学习和教师教学的难度均有加大。因此，合理设计教具，将刀具繁杂的各基准平面、静态角度和运动方向整合到教具上反映出来，让学生能通过实物观察，一目了然地了解各种定义概念，将是辅助教学的重要手段。
现在也有一些教具在使用，但反映的内容不全面，教学效果有限。如按照图1指示制作的教具模型，仅能展示刀具边框和基面、主切削平面、正交平面、法平面这四个参考面，繁多的刀具角度并无表现，而刀具角度恰是学习的难点。类似的教具均不直观，角度仍然需要学生想象，辅助理解功能很差。
由于以上不足，设计了一套可拼插刀具教学模型。如图2所示为正交平面参考系教具，根据刀具角度的刃磨成型原理，恢复了刀具被刃磨掉的部分，在刀具体上安装前角—刃倾角块、后角块和副后角块。以前角块为例，前角块的顶面刚好为刀具的基面Pr，底面即刀具的前面Ar，在正交平面上测量基面Pr和前面Ar的夹角，即为刀具的前角γo；前角块的侧面为刀具的主切削平面Ps，且前角块的侧面下端与主切削刃重合，在切削平面上测量基面Pr和主刃的夹角，即刀具的刃倾角λs，刚好被前角块的侧面表示。与此同理，主副后角块展示了主副偏角及其形成平面。刀具体沿正交平面Po和副正交平面Po′剖开，做成可拆卸的三块，这样拆下刀尖部分，可以看到形成刀具静态角度的剖面。另外，还特别用薄板制作了主副偏角κr、κr′等可以安装在刀具体上，形成一个展示所有定义平面、所有角度和运动方向的完整体系。
介绍刀具刃磨知识辅助教学 由于刀具的角度是由刃磨而来，刃磨的工艺决定了刀具的几何形状。对于一般的硬质合金和高速钢车刀，未刃磨前根据其切削种类不同，主副偏角均为标准值，而前角、刃倾角、主副后角均为零。粗磨时，先磨主后面，再磨副后面，最后磨前面[5]。粗磨的过程就是去除刀面多余材料，形成切削工作面，形成刀具角度的过程。刀具的前角、刃倾角、主副后角随之产生，主副偏角也随之做小范围调整。而精磨的过程则是对角度进行小修，提高刀面刃磨质量，提高加工质量。
在课堂教学和刀具认识实践中，简要介绍刀具刃磨知识，播放简短的刃磨视频，甚至在工人师傅刃磨刀具时在旁边观察，都能有效加深学生对刀具结构的认识理解。通过这种刃磨知识的补充，刀具结构不再是干瘪地定义平面和角度，而是生动动态的形成过程。该教学方法避免了以往教学中刀具结构概念不直观、只能“意会”的窘境。
加强信息技术辅助教学的应用 随着多媒体教室的普及，信息技术辅助教学在课堂中发挥着愈加重要的作用。在教学中展示相关视频和三维动画，利用仿真软件模拟成型过程，均是良好的教学手段。可将上述教学内容拍成视频，或制作三维仿真动画，在课堂教学中播放。
4 结论
本文针对机械专业课程中刀具结构教学的困难，对产生教学难点的原因进行梳理，并提出有效解决刀具认识教学的改进建议。上述教学改进措施已经在重庆大学城市科技学院电气信息学院工科机械基础教学基地加以实践，取得较好的教学效果。
参考文献
[1]刘英，袁绩乾.机械制造技术基础[M].2版.北京：机械工业出版社，2008.
[2]李少珍.试谈刀具切削部分几何角度实验教学方法的改革[J].广州大学学报：自然科学版，2002，1（3）：99-100.
[3]张宜厚.以车刀教学为例谈“金属切削原理与刀具”课程的教学方法[J].职教通讯，2013（12）：66-67.
[4]赵亮.《机械加工技术》课程教学与实训教学的结合[J].学周刊，2015（7）：25.
[5]管文.机械制造课程车刀角度的讲解技巧[J].现代制造技术与装备，2015（3）：98-99.
关键词 机械制造课程；刀具结构；刀具教学；信息技术
中图分类号：G642.4 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）12-0109-03
Abstract Aiming at the difficulties in the teaching tool structure， the general reasons are analyzed. The teaching improvement methods including the display design of cutter structure， the introduction of tool grinding knowledge， and the cognition of tool structure using information technology are proposed.
Key words mechanical manufacturing course； tool structure； tool teaching； information technology
1 刀具结构教学背景及现状
机械制造技术基础课程是基于国家教育部“面向二十一世纪教学内容和课程体系改革”，按照新课程体系要求，将机械加工工艺基础、金属切削原理和刀具等课程合并成的一门专业主干课程[1]。其中，“金属切削原理和刀具”部分主要介绍金属切削的成型原理、刀具结构和切削条件的选择，是该课程的一个重点和难点。当前，由于新课程体系对该部分内容有较大幅度精简，相对于以往其知识体系不完整，给实际教学带来一些困难。该部分由于刀具角度繁杂、参考平面及坐标系较多，其空间关系结构多样，致使学生普遍反映在某些概念的理解和掌握上存在一定的困难，缺乏空间想象力，并且教师基于现有条件也难以形象直观地描绘出来，在测绘车刀结构相关实验中学生实践操作情况不理想，也间接地导致后续的切削条件选择教学难以有效开展，严重影响本课程的整体教学效果。
机械制造技术教材多以车刀为例，讲解刀具的参考系和几何角度。通常从介绍基面Pr，切削平面Ps等参考系平面入手，基于参考系平面与切削刃的关系定义出所有刀具角度，最后再介绍角度转换公式[2]。由于这部分概念多，几何关系复杂，教材展示也不直观，学生只能凭空想象，理解起来有困难。而部分职业学校的教学中，为了便于学生理解，将金属切削刀具与生活中的切割工具作类比，来解释刀具结构与几何角度，虽然较为生动，但显然理论论证不充分，语言过于啰嗦，并不适合工程师的培养[3-4]。
2 教学难点成因分析
针对刀具教学的困难，笔者通过长期教学体会以及与学生的交流探讨，总结出以下几点原因。
刀具几何结构的相对复杂性 刀具是机械制造中用于切削加工的工具，它的设计与切削原理密不可分。刀具的结构是针对不同的加工材料，考虑刀头应力、散热、排屑、磨损等因素，综合设计的产物。因此，刀具是一个相对复杂的多面体，其几何参数将影响切削加工时的切削力和散热，并深刻地影响机械加工工艺质量。
刀具的几何结构建模方法，必须能有效体现刀具结构对切削过程的影响，建模方法较为特殊。以车刀为例，车刀的参考系主要有三种，即正交平面参考系、法平面参考系、假定工作平面—背平面参考系。3个参考系共计10个定义参考平面和2条切削刃，再由它们之间的空间关系定义18个刀具静态角度，不同参考系的角度之间具有复杂的三角函数换算关系。
实际教学中，刀具参考面多、静态角度多，学生易受不同参考系中类似的角度和参考面的影响而混淆相关内容。以后角为例，教材中介绍后角αo、副后角αo′、法后角αn、副法后角αn′等8个定义类似的角度，且它们的定义既有区别又有联系。类似的还有前角，十分繁杂，记忆困难。不仅如此，参考平面之间通常不是垂直关系，由于切削方式不同，也时常发生位置变化，刀具切削部分又集中在一个较小的工作区域，仅凭空间想象和实物观察，是难以将这些数量繁多、结构复杂的空间线面、面面关系清晰直观地了解清楚的。
课程体系变化导致基础不完备 刀具结构教学困难的根源，就是学生对刀具的建模和表达的理解混乱，这是工程图学课程训练不足导致的。相比以往的教学体系，大部分高校已取消机械类专业原画法几何课程，而工程图学课程也进行了相应的简化，因而学生对较复杂结构工件制图和读图的能力有所退步。以车刀建模为例，刀具静态角度无法用三视图表达，需要用变换投影面法对不同参考平面进行投影，才能标注角度参数，这也是部分画法几何课程教材的示例和训练题。而现在的学生没有相关基础，自然在教学中对刀具的工程图表达十分茫然，无法读出有效信息。在车刀角度测绘实验中也不会通过换面法和正确剖切的手段，正确绘制出刀具的几何形状，自然实验报告错漏百出。
教材内容陈旧和缺乏工程实践 机械制造技术基础课程教材繁多，其主干内容也是由机械加工工艺基础、金属切削原理和刀具课程教材节选整合而来。图1是教材中的常见配图，展示了车刀正交平面和法平面参考系，但显然只展示了参考系平面，至于刀具角度已经被参考面本身挡住，只能凭借想象，如此教材学生自然理解困难。学生实践机会较少，对金属切削加工和刀具缺乏认识，单独从理论上去理解刀具结构和切削现象，既不直观又很枯燥。以金工实习为例，机床的刀具已经由工人师傅刃磨好，直接可以供学生使用，学生没有刀具成型过程的概念。刀具的刃磨是车削工艺的重中之重，作为未来的工程师，对此毫无了解，显然是一个缺憾。
3 教学改进建议
针对刀具结构教学的难点，开展辅助刀具结构教学的教具研发和教改探索。在现行课程体系下，如何做到在有限的课时内让学生对刀具结构有深刻认识？笔者认为主要需要以下几个方面进行改进。 合理设计教具 相比于原金属切削原理与刀具课程，现机械制造课程的课时和教材内容受到压缩，而要掌握的主干知识却并没有减少。被精简的内容也以辅助理解的工程背景为主，面对高度概括的教材，学生学习和教师教学的难度均有加大。因此，合理设计教具，将刀具繁杂的各基准平面、静态角度和运动方向整合到教具上反映出来，让学生能通过实物观察，一目了然地了解各种定义概念，将是辅助教学的重要手段。
现在也有一些教具在使用，但反映的内容不全面，教学效果有限。如按照图1指示制作的教具模型，仅能展示刀具边框和基面、主切削平面、正交平面、法平面这四个参考面，繁多的刀具角度并无表现，而刀具角度恰是学习的难点。类似的教具均不直观，角度仍然需要学生想象，辅助理解功能很差。
由于以上不足，设计了一套可拼插刀具教学模型。如图2所示为正交平面参考系教具，根据刀具角度的刃磨成型原理，恢复了刀具被刃磨掉的部分，在刀具体上安装前角—刃倾角块、后角块和副后角块。以前角块为例，前角块的顶面刚好为刀具的基面Pr，底面即刀具的前面Ar，在正交平面上测量基面Pr和前面Ar的夹角，即为刀具的前角γo；前角块的侧面为刀具的主切削平面Ps，且前角块的侧面下端与主切削刃重合，在切削平面上测量基面Pr和主刃的夹角，即刀具的刃倾角λs，刚好被前角块的侧面表示。与此同理，主副后角块展示了主副偏角及其形成平面。刀具体沿正交平面Po和副正交平面Po′剖开，做成可拆卸的三块，这样拆下刀尖部分，可以看到形成刀具静态角度的剖面。另外，还特别用薄板制作了主副偏角κr、κr′等可以安装在刀具体上，形成一个展示所有定义平面、所有角度和运动方向的完整体系。
介绍刀具刃磨知识辅助教学 由于刀具的角度是由刃磨而来，刃磨的工艺决定了刀具的几何形状。对于一般的硬质合金和高速钢车刀，未刃磨前根据其切削种类不同，主副偏角均为标准值，而前角、刃倾角、主副后角均为零。粗磨时，先磨主后面，再磨副后面，最后磨前面[5]。粗磨的过程就是去除刀面多余材料，形成切削工作面，形成刀具角度的过程。刀具的前角、刃倾角、主副后角随之产生，主副偏角也随之做小范围调整。而精磨的过程则是对角度进行小修，提高刀面刃磨质量，提高加工质量。
在课堂教学和刀具认识实践中，简要介绍刀具刃磨知识，播放简短的刃磨视频，甚至在工人师傅刃磨刀具时在旁边观察，都能有效加深学生对刀具结构的认识理解。通过这种刃磨知识的补充，刀具结构不再是干瘪地定义平面和角度，而是生动动态的形成过程。该教学方法避免了以往教学中刀具结构概念不直观、只能“意会”的窘境。
加强信息技术辅助教学的应用 随着多媒体教室的普及，信息技术辅助教学在课堂中发挥着愈加重要的作用。在教学中展示相关视频和三维动画，利用仿真软件模拟成型过程，均是良好的教学手段。可将上述教学内容拍成视频，或制作三维仿真动画，在课堂教学中播放。
4 结论
本文针对机械专业课程中刀具结构教学的困难，对产生教学难点的原因进行梳理，并提出有效解决刀具认识教学的改进建议。上述教学改进措施已经在重庆大学城市科技学院电气信息学院工科机械基础教学基地加以实践，取得较好的教学效果。
参考文献
[1]刘英，袁绩乾.机械制造技术基础[M].2版.北京：机械工业出版社，2008.
[2]李少珍.试谈刀具切削部分几何角度实验教学方法的改革[J].广州大学学报：自然科学版，2002，1（3）：99-100.
[3]张宜厚.以车刀教学为例谈“金属切削原理与刀具”课程的教学方法[J].职教通讯，2013（12）：66-67.
[4]赵亮.《机械加工技术》课程教学与实训教学的结合[J].学周刊，2015（7）：25.
[5]管文.机械制造课程车刀角度的讲解技巧[J].现代制造技术与装备，2015（3）：98-99.