案例教學法在金屬精密塑性成形技術研究生課程中的應用

程鋼　原政軍　王忠雷　趙彥華

摘 要：選用三通管件的成形工藝設計作為金屬精密塑性成形技術研究生課程案例教學實例，教學對象典型，易于實施教學內容，實現教學目標。采用案例教學法，可以將專業理論知識與工程實際案例緊密聯系起來，將科研方法和理念融于教學過程中，調動學生積極學習的興趣，活躍課堂教學氣氛，提高教學質量，使學生系統掌握塑性成形技術專業知識，培養學生綜合應用現代設計方法及研究手段的能力。

關鍵詞：案例教學法;拉拔成形;三通管件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.188

金屬精密塑性成形技術廣泛應用于國民經濟和國防建設的各個領域，隨著我國科技水平的飛速發展，社會對高層次人才培養提出了更高的要求。

高校研究生課程不僅要注重傳授知識，更應培養學生主動獲取知識、發現規律的能力，促使他們成長為國家發展所需要的創新型人才。案例教學法集實踐性和探索性為一體[1]，強調在教學過程中以培養學生研究能力為中心，以實際案例為基礎，通過呈現案例應用情境，將理論學習與實踐應用緊密結合，鼓勵學生積極討論，引導學生通過不斷發現問題、分析問題，進而解決問題，最終系統地掌握理論知識、提高研究能力。

金屬精密塑性成形技術課程教學主要內容包括精密模鍛、精密沖裁、熱擠壓等金屬精密塑性成形工藝及模具設計。通過本課程的學習，以及對新工藝、新技術、新材料、新進展等相關文獻的研究，使研究生較清楚地把握本專業發展方向及研究動態[2，3]。在此基礎上，結合機械工程實際，重點培養學生分析問題、解決問題的能力和創新精神，適應21世紀科技飛速發展對人才培養的需要[4]。針對本課程實際需要，采用案例教學模式可以最大限度地激發學生的求知欲，有利于夯實研究生的理論基礎，進一步充實專業知識，提高獨立科研能力。

1 教學思路

在教學中引入綜合案例，按照研究內容分解成幾個模塊，按模塊分解任務，關聯對應知識點，通過任務驅動、解決問題促使學生掌握知識的內涵和應用。這個過程不僅能讓學生在具體任務驅動下學習關聯理論知識，而且起到學以致用的效果，真正提升學生的科研能力。

在研究金屬成形過程時，有限元分析方法的作用是至關重要的[5，6]。有限元分析方法的運用對減小工程設計量和設計成本都起到了非常重要的作用，例如，有限元分析方法的運用對于模具的設計，工藝參數的選擇等方面具有非常大的作用，它不僅可以校核和優化模具設計方案還可以縮短設計周期，有效降低生產成本，提高產品質量[7]。DYNAFORM是一款板材成形模擬軟件，用于模擬板料成形工藝。它能夠預測板料成形中的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈、成形剛度、表面質量等，評價板材成形性能，同時為成形工藝及模具設計提供幫助。結合課程內容和教學需要，設計了基于Dynaform應用的教學案例。

2 教學案例及實施

金屬精密塑性成形技術是針對機械制造及其自動化專業研究生所開設的一門專業課，旨在培養學生運用課程知識分析和解決工程實際問題的能力。針對金屬精密塑性成形技術課程學時少，內容多的特點，采用案例教學法以研究案例為目標開展教學活動。案例教學過程一般包括案例的選取、教學實施、研究總結、評價反饋等幾個環節。

2.1 案例題目的選擇

選取三通管件成形工藝研究作為教學案例。三通管件是在工業管道工程施工中用量較大且非常重要的管道配件。目前，管道工程中一般采用鑄造三通管、鍛造三通管、焊接三通管以及液壓脹形三通管等。鍛造三通管由于加工體積大，需要去除的材料較多，因此材料大大增加了消耗量，鍛造方法比較困難且生產成本高。丁字焊接三通是將支管直接焊接在主管上制造的三通，因為主管上的焊口呈馬鞍形，導致焊接難度比較大，不能保證焊接質量，強度也比較低。三通管的液壓脹形是一種復合脹形工藝，是在脹形壓力、支管平衡壓力和軸向壓力的綜合作用下成形的，工藝復雜。拉拔翻邊三通管與支管焊接時工藝簡單焊接質量較高，國內對于翻邊三通管的制造方法首先是加熱管材，然后通過專門的加工設備對管材進行翻邊加工，如果需要多次加熱，稱之為多道次拉拔翻邊。這種方法自動化程度不高，操作量大。

為了獲得高效、節材、高質量的三通管加工方法，基于沖壓工藝研究三通管加工方法。該工藝首先在管件上加工一個預制孔，之后翻邊成形凸緣，然后可以將支管直接焊接在凸緣上。該成形工藝不損壞金屬的內部纖維，三通管強度高，使用性能好，運用此方法只需焊接一個平面圓，焊接工藝簡單，加工精度高，可以實現自動化生產。

選取三通管件成形作為教學案例，一方面是三通管是比較常見的機械產品，對它的形狀特征和使用要求比較熟悉;另一方面，三通管件作為教學案例具有結構簡單，成形工藝及方法多樣等特點;另外，研究三通管件成形需要結合三通管冷翻邊中預制孔的計算與優化以及相應的有限元模擬等方法，能夠給予學生足夠的探究空間，不斷完善成形技術。

2.2 案例教學實施

案例教學實施過程一般包括任務分解和布置、學生分組實施、討論匯報、點評總結等幾個環節。

2.2.1 任務分解和布置

針對三通管件的結構和成形特點，教師提出必要的成形工藝要求，如為了保證后續焊接工藝的實施，要求翻邊的端口平整、翻邊高度滿足焊接需求等。影響翻邊工藝的因素很多，如預制孔形狀、模具間隙、翻遍高度、圓角半徑、材料流動性能等。其中預制孔幾何形狀的設計對翻邊支管口平整度的影響最大，而且鑒于三通管翻邊成形工藝在圓柱鋼管上進行，其幾何形狀和變形過程都難以控制，預制孔的設計計算比平面翻邊預制孔的設計計算相對困難，所以預制孔的幾何形狀的設計成為三通管翻邊成形工藝設計的重點和難點問題。根據案例研究需要，將研究內容分為預制孔幾何形狀的設計、三通管拉拔的有限元分析及模擬及預制孔尺寸的優化三個模塊。

2.2.2 學生分組實施

學生可自由選擇案例模塊進行研究，確定各自的分工和任務。案例教學的實施可以在相應的章節內容講授過程中進行，這時學生已經掌握了成形技術的基本概念和方法，可以通過查閱資料、分析討論等手段，來完成相應的研究內容。由于案例研究的順利進行需要學生之間的有力配合，而且案例模塊之間的研究內容也有交叉之處，學生們通過充分調研、集思廣益，進而大大提高了學習效果和效率，很好地培養了團隊協作能力。

2.2.3 討論匯報

學生首先分別介紹各組的研究內容、設計目標、本階段任務的完成情況。由于各組在文獻檢索、案例分析的角度和理解深度不一，可以提出不同的設計方案。如平面圓孔翻邊的預制孔尺寸計算有兩種方法：一是等線長成形理論法，該方法假設翻邊工藝與彎曲工藝相似，圓孔翻邊時環形變形區內徑向素線尺寸不變，通過材料變薄致使翻邊成形;二是等面積理論法，該方法認為翻邊過程中板料厚度和面積沒有變化，是徑向素線尺寸變化致使翻邊成形。實際翻邊成形過程中，材料的厚度和變形區內素線長度是同時變化的，上面這兩種理論求解的預制孔尺寸都不是精確值，而是實際工況的兩個極限值。利用等線長理論計算的預制孔尺寸偏大，翻邊高度較低;利用等面積理論計算的預制孔尺寸偏小，翻邊高度較高。從沖壓工藝安全性的角度來說，等面積方法更保險。但在翻邊成形加工中，成形區板料厚度的變化比徑向素線長度的變化更明顯，因此等線長理論的計算精度更高。借助Dynaform強大的后處理，可以將三通管成形過程直觀地展示出來，讓學生理解成形過程中坯料的形狀演變和應力應變分布，直觀地感受坯料具體的變形特征。如圖2、圖3所示，優化預制孔形狀后，成形管口平整度顯著提高。

2.2.4 點評總結

在討論過程中，教師可以進行點評總結起到引導作用。教師不僅要積極肯定學生的合理思路、創新方法和工藝路線，最大限度地調動學生的研究熱情，而且要對各組的研究目標進行評估，對計算方法、分析手段、工藝參數等及時提出質疑，同時給出改進意見，引導學生學會資料整理和歸納，通過深入思考，尋求解決辦法，在此基礎上歸納總結出所需的知識點，要求學生重點理解和準確掌握，真正實現課堂互動教學。

2.2.5 評價反饋

在課堂報告、討論和教師點評環節結束后，要求學生依據討論和點評意見對案例教學作業進行修改和潤色。教師對學生提交的最終案例報告進行評分。課程考核與評價由2部分組成：（1）對學生在文獻查閱、文檔撰寫、模型設計、課堂報告和討論過程中進行跟蹤考核，此部分占總成績的40%;（2）課程以研究項目結題答辯的方式進行考核，學生展示研究成果，教師對成果及資料，包括圖紙、樣品、課程論文等進行審核并提問，此部分占據成績的60%。

3 結論

與傳統教學相比，案例教學法提供了一種雙向的開放式的教學環境，更加強調學生的主動參與性，引導學生進行深入思考和積極討論。教師也不再以說教為主，更多的是作為指引者。案例教學讓教、學雙方獲得了雙贏，教學效果顯著提高。下一步要緊密跟隨技術的不斷進步，進一步優化、更新教學案例，使學生在課堂內、外以分析、思辨為重點，充分調動學生的主觀能動性和學習積極性，加強學生對重點、難點的分析和掌握，提升學生應用理論創新性分析和解決實際問題的能力，培養學生科研能力，不斷提高教學質量和課程建設水平。

參考文獻：

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[3]劉紅.專業學位研究生課程建設：知識生產新模式的視角[J].中國高教研究，2015（03）：36-40.

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[6]程亮，孫凌燕，陳逸等.Deform-3D在金屬塑性成形原理教學中的應用研究[J].山東工業技術，2018（06）：228，233.

[7]裴正兵，田彩云.高校教師科研成果轉化教學案例意義、基礎與模式研究[J].高教學刊，2018（17）：82-85.

基金項目：山東建筑大學研究生教育質量提升計劃項目（2019年）;國家自然科學基金（51605262）。

作者簡介：程鋼，男，博士，教授，研究方向：結構有限元分析及優化、塑性加工工藝與模具優化設計。