機械制造技術課程案例教學法的應用

陳雪麗　謝新義　陳海濤

摘 要：《機械制造技術》是培養現代機械制造專業人才的必修核心課程之一，本課程理論概念偏多，知識體系復雜抽象。在課程傳統教學中，通常以教師授課方式為主導，學生只能被動地在有限范圍內參與案例討論，分析過程簡單膚淺，課堂討論結果單一，學生參與度低、成就感差，并且不易掌握課程的關鍵知識點，甚至難以靈活的將課堂所學運用與實際工作中。而采用案例教學法，把課堂教學問題通過一個真實或模擬的具體情景展現出來，通過對實際問題的討論，引導學生基于課堂理論知識發散性思考問題，有利于培養學生主體性、主動性和自主性，提高學生對工程實踐的興趣和創造能力，促使學生積極主動的分析問題，從而增強學生的綜合素質和工程實踐能力。

關鍵詞：機械制造技術 案例教學法 工程實踐

1 引言

《機械制造技術》是機械設計制造及其自動化專業開設的一門核心專業課程，著重培養學生綜合應用能力，要求學生能夠根據工件加工要求，利用所學知識進行刀具選擇、加工工藝設計等。

傳統機械制造技術課本上缺少相關的案例和習題，即便有例題和案例，但并沒有說明刀具選擇的原則和方法，導致很多學生甚至教師都認為切削加工時，刀具的選擇就應該是書中所言那一類刀具，還沒有從高中階段的科學思維模式轉變到工程思維模式[1]。從根本上來講，學生缺少工程實踐訓練，也沒有足夠的試錯，對于課本上的知識只能夠理解表面意思，還沒有依靠自己的經驗和理論知識進行重新建構的能力，無法綜合利用所學知識進行分析和推理，完成某項工程項目。

2 案例教學法的特點

在教學中，大部分教師通過以教師為中心的傳統教學方法，進行案例教學。教師為主導，學生只能被動地在有限范圍內參與案例討論，分析過程簡單膚淺，課堂討論結果單一，導致學生參與度低、成就感差。

在課堂上采用案例教學法，把教學問題通過真實或模擬的具體情景展現出來，學生沉浸其中。在教師的組織安排下，引導學生閱讀、思考、分析、討論和交流案例，開發學生的發現問題、分析問題和解決問題的能力，樹立學生工程創新的教育觀念。

3 刀具的選擇教學案例

大學生在接收課堂知識時，采用的是自上而下的學習方法，由高度概括向具體經驗領域發展，但缺少必要的情景化案例，導致很多學生在學習金屬切削刀具知識時，只能死記硬背刀具的基本角度和刀具材料概念，具體到實際生產中選擇刀具時，常常會陷入迷茫，不知從何入手[2]。

以簡單的銷軸零件為例，如圖1所示，有實踐經驗或者經歷過實訓的學生都可以講出加工工藝和刀具選擇。但如果從深層次分析該工件的加工工藝，并把機械制造技術的理論知識和生產實際聯系起來，增強學生對基本金屬切削技術理論知識的理解，現在還沒有現成的參考資料。

3.1 首先對銷軸進行工藝分析

銷軸材料為42CrMo，硬度是HRC25-28，屬于普通調質件，易加工。加工工藝：外圓—倒角—切斷。現在可以加入情境，假設庫房中有以上這些刀具，其中刀桿尺寸一致，刀片都適用于合金鋼加工，引導學生進行刀具選擇。從圖2可以看出，這些刀具僅僅在主偏角、副偏角和刀尖角上不一致，引導學生復習主偏角的選擇原則和功用：

（1）根據工件加工材料判定，工件材料硬度中等、強度稍高，屬于調質鋼，可選擇比較小的刀具主偏角；

（2）根據加工工藝系統剛性，銷軸直徑40，長度60，長徑比比較小，可以選擇較小的主偏角；

（3）根據銷軸加工表面，工件加工面是光軸，若還需加工倒角，應選擇主偏角為45°的刀具，即圖2中的刀具E。

按照以上的分析，加工外圓時應該選擇刀具E，實際上是不是這樣呢？從而提出問題，讓學生思考討論，然后分組選派學生代表提出討論結果。

當然，也可以提出其他問題，比如，哪些刀具可以用來加工此零件的外圓？哪些不可以？由于學生還停留在科學思維的模式中，腦海中一般都認為某一類刀具才可以加工，比如大部分學生都會選擇刀具E，由于學生參與的工程項目很少，缺乏工程思維的訓練，在進行刀具選擇時，更多的思維是停留在能與不能的概念，而不是能用與好用的概念。經過一定的時間思考和討論后，老師開始引導學生進行加工項目的探究和討論：刀具進行切削加工需要滿足的條件是：一定的硬度、合理的角度和有相對運動。從這3個條件出發，可以判定，從切削加工的可能性來說，以上的刀具都是可以的，沒有唯一答案。此時，可引導學生了解工程思維。工程項目中，所有的問題注定沒有標準答案，都屬于結構不良問題，教學的重點不僅僅教授給學生選擇一個正確答案，而是要鼓勵學生利用所學知識和理論綜合分析問題的能力[3]。在實際生產中，解決一個問題，為了盡可能獲取最優解，會綜合運用到更多理論知識和經驗。

3.2 再引導學生進一步復習刀具的基本理論知識

（1）切削力的影響：在其他條件不變的情況下，隨著主偏角的增加，切削力將逐步減少，在主偏角為60°-75°時，切削力最小，背向力隨著主偏角的增加而逐步減少。因此，在加工系統剛性足夠的情況下，盡量選擇主偏角60°-75°的刀具，以便于減少主切削力。且此范圍內的主偏角，在相同的背吃刀量情況下，有效切削長度比較大，單位長度的切削力也會減少。

（2）刀具耐用度影響：刀具主偏角較小時，由于刀頭散熱體積增加，切削溫度降低。因此，當其他條件相同時，主偏角較小時，刀具的耐用度是比較高的。

（3）刀尖角影響：刀尖角越大，刀具散熱條件越好，刀頭部分的剛性越好，在工藝系統剛性足夠的情況下，切削過程也越穩定，刀尖也更不容易崩刃和損壞。

（4）刀尖圓弧影響：通常，機夾刀片粗加工時為R0.8，精加工時可選擇R0.4或R0.2的刀尖圓弧。對于剛性較好的工藝系統，應選擇刀尖圓弧為R0.8。

（5）表面粗糙度影響：剛性足夠的工藝系統，刀尖圓弧越大，理論上表面粗糙度越好，因此也應選用刀尖圓弧為R0.8。

在對零件工藝分析時，加工零件外圓時，工藝路線要把兩處倒角、端面、外圓一次加工成。如果在普通加工設備上，用刀具E即可，但在數控機床上，倒角可以由刀具走斜線加工而成，因此可選擇刀具A或E。左端加持部分的倒角理論上可用刀具B、C和E加工而成，由于B、C刀具可以走斜線，理論上可以完成加持部分的倒角，E刀具可以沿徑向進給，完成倒角的加工。綜上，最終可選擇E刀具。

這是一個比較簡單的案例，但如果從實際生產考慮，需要考慮的因素很多，已經綜合運用了刀具的基本知識，學生處在一個高度集中的時間段，他們還需要進一步的消化所學知識[4]。從教育心理學來講，知識點過多，學生并不容易結合自己先前的經驗進行知識的重新建構，這個時候學生已經初步具備工程思維，可以簡單判斷到底選擇哪一種刀具比較合適，是否好用，而不是是否能用。

3.3 左側倒角加工的問題

這個時候學生可以適當休息一下，同時，授課教師為了讓學生繼續保持好奇心，可以再引入下一個問題，刀具E是否真的合適？這是比較難的問題，教師要做好引導。因為前面討論的重點主要集中在主偏角上，這個問題涉及到前角和副前角，可以告訴學生，在實際生產中，刀具并不太好用，重新引起學生的好奇心，根據前面的分析和討論，刀具E應該合適的。

用刀具E進行倒角時，右端沒有問題，左端在進行徑向進給切削時，刀具和工件容易振動。這是由于E刀具在進行徑向切削時，刀具的背吃刀量ap逐步增加，而切削力也隨之增加，背吃刀量增加一倍，切削力也增加一倍。另外，由于刀具是主切削刃和副切削刃同時進行切削加工，前角和副前角角度不一致，導致切削時刀具兩側受力不均勻，此時再用刀具E切削時，工件與加持部分連接軸徑越來越小，容易使刀具和工件容易產生振動。

如果選用B、C刀具進行工件左側倒角時，刀具切削時背吃刀量越來越大，也會導致刀具振動，本身刀具的刀尖角比較小，剛性不太好，因此需要多次進給。

3.4 切斷刀的使用

此時可以考慮用切斷刀，如圖3所示。用切斷刀進行倒角時，第一，要注意刀具的寬度，一般情況下，切斷刀對刀時，是用左側刀尖；而在切削左側倒角時，需用右側刀尖。第二，在倒角之前，需要在切斷部位加工一段槽，保證切斷刀左側與工件不發生碰撞。這一部分內容，學生能夠理解，但是由于生產實際經驗很少，同時理論知識不能夠熟練應用，學生很難想到，而實際上，銷軸零件的工藝也是不斷完善的，最初的工藝遠沒有達到現在的能力。

此時，工藝還分析還沒有結束，可以再向學生發問：（1）切斷刀怎么用？（2）切斷刀進行徑向切削時，進給量f是否一樣？（3）切斷刀是一直切到根部，還是留有余量？（4）切斷刀是斷續前進，還是連續切削？教師可以提示引導學生從切削力和切削速度方面思考討論前兩個問題，后兩個問題可由教師講解。

從切削力來看，切削力的大小隨著速度的減少而增加，而徑向切削時，刀具的切削速度是變化的，因此越接近中心，切削速度越低，切削力會變化很大。另外，切斷刀刀頭部分細長，剛性又比較差，很容易導致刀刃崩碎，因此越接近中心，進給量f要降低。當然，切斷時，零件與加持部位連接的直徑越來越小，在直徑φ3左右時，就有可能斷裂而導致工件飛出，刀尖崩刃，因此需要切到φ3時，停車，手工取出工件。

4 結論

本課題以機械制造技術課程案例教學為研究對象，針對教學中實際加工的車刀刀具選擇為研究對象，引入企業生產實際中所加工的工件，從企業技術人員的角度來考慮分析問題，把工程思維逐步灌輸給學生，加深了學生對機械加工刀具選擇知識點的理解和掌握，提高了學生的綜合應用能力。

基金項目：溫州職業技術學院“十四五”教學建設與教學改革研究項目《機械制造技術》課程思政教育的設計與實施（WZYYB 202216）。

參考文獻：

[1]李偉銳. 案例教學法在機械制造基礎課程教學中的應用分析[J]. 東方教育， 2012， 000（012）：29-29，31.

[2]王友斌. 工程案例教學法在機械制造基礎教學中的應用分析[J]. 山東工業技術， 2019（20）.

[3]傅永剛 王淑娟. 管理教育中的案例教學法--案例認知．案例采編．案例教學[M]. 大連理工出版社， 2008.