高校飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究

閆光榮， 程 偉， 寧 濤

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

高校飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究

閆光榮， 程 偉， 寧 濤

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

針對(duì)高校飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，論文提出了設(shè)置飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)鈑金精密塑性熱成形工藝教學(xué)實(shí)驗(yàn)、飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配教學(xué)實(shí)驗(yàn)及飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)等四大實(shí)驗(yàn)系列共14個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)想。這些實(shí)驗(yàn)既涉及傳統(tǒng)的飛機(jī)制造工藝，也包括最新的飛機(jī)研制信息化手段。完成上述實(shí)驗(yàn)可提高本專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力，加深對(duì)飛行器產(chǎn)品制造過程各項(xiàng)知識(shí)點(diǎn)的理解。

飛行器制造工程；專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)；課程；教學(xué)改革

從飛機(jī)制造百年歷史可以得出結(jié)論：人類在制造領(lǐng)域取得的新技術(shù)、新工藝和新方法成果，都會(huì)被積極地應(yīng)用到飛機(jī)制造過程中去[1]。作為培養(yǎng)我國航空航天制造骨干人才的高校飛行器制造工程專業(yè)，承擔(dān)著培養(yǎng)高水平畢業(yè)生的重要責(zé)任[2]。隨著航空產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高及高新制造技術(shù)的發(fā)展，航空企業(yè)對(duì)人才的知識(shí)層次和實(shí)踐能力的需求也在不斷的提升，越來越需要學(xué)生具有更全的專業(yè)知識(shí)和更強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力。

飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課教學(xué)是提高學(xué)生動(dòng)手能力的有效途徑。通過綜合實(shí)驗(yàn)課，不僅可以讓學(xué)生熟悉航空制造環(huán)節(jié)中的一些傳統(tǒng)工藝的流程，而且可以了解當(dāng)前最新的制造技術(shù)和工程方法，促進(jìn)學(xué)生理論知識(shí)和實(shí)踐能力的有機(jī)融合。

近年來，依托國防重點(diǎn)學(xué)科、特色專業(yè)、“211工程”、“985工程”等學(xué)科建設(shè)，高校飛行器制造工程專業(yè)加大了對(duì)本科生教學(xué)和實(shí)踐設(shè)施的投入，購置了一大批高精的軟硬件設(shè)備。但本科生的專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課卻未充分利用上述有利條件，仍集中在 CAD造型[3]、板料拉伸等少數(shù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上，滿足不了航空制造企業(yè)對(duì)本專業(yè)畢業(yè)生的期待。因此，承擔(dān)培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生動(dòng)手能力的綜合實(shí)驗(yàn)課程急需充實(shí)、完善，以適應(yīng)制造技術(shù)的最新發(fā)展。

1 本課程的設(shè)計(jì)

專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)應(yīng)基本涵蓋航空產(chǎn)品制造活動(dòng)的主要過程。但因課程學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等條件限制，只能采用以點(diǎn)帶面的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?shí)施本課程教學(xué)。當(dāng)前，采用 CAD、CAPP、CAM、PDM等軟件支持航空產(chǎn)品的制造過程已十分普及，且其技術(shù)仍在發(fā)展并持續(xù)深刻改善著航空產(chǎn)品的制造過程；飛機(jī)鈑金精密塑性熱成形是航空產(chǎn)品普遍采用的制造工藝；裝配在飛機(jī)制造過程中占有極其重要的位置，其工作量約占全機(jī)工作量的一半；飛機(jī)產(chǎn)品中已廣泛使用復(fù)合材料，其制造工藝十分重要。因此，專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)至少要覆蓋以上4個(gè)方面內(nèi)容。為此，本課程設(shè)置4大實(shí)驗(yàn)系列：飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)、飛機(jī)鈑金精密塑性熱成形工藝、飛機(jī)數(shù)字化裝配、飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)制造。針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)系列，設(shè)計(jì)若干個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)來覆蓋該系列的知識(shí)點(diǎn)。下面詳述4個(gè)實(shí)驗(yàn)系列的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（1） 飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)

本系列實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生了解數(shù)字化測(cè)量、幾何重構(gòu)的工具和技術(shù)，掌握CAD造型的基本技能，熟悉數(shù)控加工的方法和步驟，了解CAD軟件的二次開發(fā)技術(shù)，因此，本系列設(shè)計(jì)5個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn) 1 產(chǎn)品零件的數(shù)字化測(cè)量和逆向重構(gòu)。使用三坐標(biāo)激光測(cè)量機(jī)測(cè)量待測(cè)零件，獲得零件的外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CAD軟件中，對(duì)其進(jìn)行擬合并建立零件的CAD模型。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生應(yīng)掌握逆向工程設(shè)計(jì)的基本方法和工具。

實(shí)驗(yàn)2 產(chǎn)品零件的曲線、曲面、實(shí)體、參數(shù)化特征造型。采用市面上流行的CAD軟件進(jìn)行某個(gè)零件的造型，如ARJ21-800型飛機(jī)的8號(hào)框。通過建立曲線、曲面和參數(shù)化特征實(shí)體，掌握基本曲線和NURBS曲線的概念，學(xué)會(huì)基本曲面（直紋面、旋轉(zhuǎn)面、掃描面等）和高級(jí)曲面（過渡面、放樣面、導(dǎo)動(dòng)面、補(bǔ)洞面等）的造型方法，理解參數(shù)化實(shí)體造型的概念，學(xué)會(huì)用特征造型方法完成零件的造型。掌握用曲面和實(shí)體混合建模的方法。

實(shí)驗(yàn)3 產(chǎn)品零件的加工工藝編制、刀具軌跡生成與后置處理。在完成產(chǎn)品零件建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)指定數(shù)控機(jī)床的性能數(shù)據(jù)對(duì)零件模型安排從粗加工、半精加工、精加工到補(bǔ)加工的加工工藝路線，并利用CAM軟件計(jì)算生成數(shù)控加工的走刀軌跡。通過模擬仿真和機(jī)床后置處理，自動(dòng)生成數(shù)控加工的G、M、F代碼。

實(shí)驗(yàn) 4 自己操作數(shù)控機(jī)床進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)控加工。將生成好的加工代碼利用DNC軟件在線傳輸或使用媒體介質(zhì)（如U盤、軟盤等）傳輸給數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工。學(xué)會(huì)開機(jī)、對(duì)刀、機(jī)床坐標(biāo)系和編程坐標(biāo)系的匹配、冷卻液設(shè)置、手動(dòng)控制機(jī)床等操作，理解數(shù)控加工精度、產(chǎn)品表面質(zhì)量與機(jī)床加工用量的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn) 5 CAD軟件環(huán)境下的二次開發(fā)。利用AutoCAD或CAXA電子圖板提供的二次開發(fā)工具編制插件程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件系統(tǒng)的功能擴(kuò)展、計(jì)算、交互等操作，以此了解CAD軟件二次開發(fā)的技術(shù)和方法。

（2） 飛機(jī)鈑金精密塑性熱成形工藝實(shí)驗(yàn)

本系列實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生掌握鈑金成形的原理和方法。了解金屬薄板彎曲試驗(yàn)方法，推導(dǎo)彎曲角度與凸模位移的關(guān)系公式；認(rèn)識(shí)鈑料拉彎的成型過程與規(guī)律；利用CAE完成復(fù)雜鈑金零件的設(shè)計(jì)的工程分析，優(yōu)化成型工藝過程；了解飛機(jī)鈑金件數(shù)控拉彎成型。學(xué)會(huì)鈑金材料在簡單應(yīng)力狀態(tài)下和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的成型性能參數(shù)測(cè)試、分析和評(píng)估方法。本系列設(shè)計(jì)4個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1 金屬薄板彎曲。采用一系列具有不同底部弧面半徑的凸模，將式樣按照規(guī)定的彎曲角成型后，檢查其變形區(qū)外側(cè)表面不產(chǎn)生裂紋或顯著凹陷時(shí)的最小相對(duì)彎曲半徑作為金屬薄板的彎曲性能指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn) 2 板材拉彎回彈及各因素影響效應(yīng)分析。針對(duì)板材（寬板與窄板）拉彎回彈問題，采用拉彎成形數(shù)值分析應(yīng)用程序，研究回彈因素的影響效應(yīng)，分析拉彎工藝及應(yīng)力分布對(duì)回彈的影響。分析影響拉彎回彈的主要因素。包括材料性能，幾何尺寸，拉伸量等。

實(shí)驗(yàn)3 數(shù)控蒙皮多點(diǎn)拉形。采用蒙皮拉形設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模面、生成釘高、設(shè)計(jì)毛料尺寸、生成拉形軌跡；利用釘高數(shù)據(jù)輸入多點(diǎn)?？刂栖浖瑢?shí)現(xiàn)模具的調(diào)形，并在模具上放置墊層。剪板機(jī)下料之后，在毛料上刻上等距線，然后將毛料夾入夾鉗，將拉形軌跡輸入機(jī)床控制軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)控拉形。拉形完后，卸載零件，測(cè)量零件上等距線距離，得到零件應(yīng)變分布。將零件放置在柔性夾具上，采用非接觸光學(xué)測(cè)量平臺(tái)測(cè)量其外形。采用有限元軟件模擬上述拉形過程，比較模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果（應(yīng)變和回彈）。

實(shí)驗(yàn)4 板材沖壓實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)毛料形狀、壓邊力或間隙、模具行程。采用剪板機(jī)或線切割下料，并在毛料上印刷網(wǎng)格。放置毛料、將設(shè)計(jì)的壓邊力、模具行程輸入壓力機(jī)控制軟件，進(jìn)行沖壓。采用網(wǎng)格自動(dòng)測(cè)量軟件測(cè)量零件應(yīng)變分布。最后采用有限元軟件模擬上述沖壓過程，比較模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果。

（3） 飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配實(shí)驗(yàn)

本系列實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生了解數(shù)字化裝配的共性技術(shù)：基于約束的計(jì)算機(jī)虛擬裝配原理、裝配的干涉和間隙分析；了解鉚接實(shí)驗(yàn)方法；了解基于激光跟蹤儀的裝配測(cè)量技術(shù)。本系列共設(shè)計(jì)3個(gè)實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1 鉚接實(shí)驗(yàn)。通過介紹和參觀實(shí)際鉚接裝配件、多種鉚釘和鉚槍，并實(shí)際操作體會(huì)鉚接裝配過程，使學(xué)生了解和掌握現(xiàn)代飛機(jī)制造中鉚接裝配過程、鉚接裝配工藝和各種鉚接方式之間的差異。

實(shí)驗(yàn) 2 基于多臺(tái)激光跟蹤儀的數(shù)字化裝配的全域測(cè)量實(shí)驗(yàn)。通過多臺(tái)數(shù)字化測(cè)量儀器激光跟蹤儀完成裝配型架的安裝，使學(xué)生掌握現(xiàn)代飛機(jī)制造中數(shù)字化測(cè)量方式進(jìn)行飛機(jī)裝配型架的安裝等先進(jìn)技術(shù)，了解飛機(jī)裝配型架的數(shù)字化裝配過程。

實(shí)驗(yàn)3 數(shù)字化裝配仿真實(shí)驗(yàn)。在數(shù)字化環(huán)境中，從可視的角度檢測(cè)產(chǎn)品的可裝配性，生動(dòng)直觀地進(jìn)行產(chǎn)品虛擬裝配，提供裝配順序規(guī)劃及評(píng)價(jià)，裝配序列檢查，動(dòng)態(tài)仿真零、部件的實(shí)際裝配過程，發(fā)現(xiàn)裝配過程零部件間的干涉問題。

（4） 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)實(shí)驗(yàn)

本系列實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生了解膠接技術(shù)的特點(diǎn)，熟悉膠接實(shí)驗(yàn)過程，測(cè)試鋁合金板材單搭試件強(qiáng)度，分析單搭試件厚度對(duì)膠接強(qiáng)度的影響并比較不同表面處理方法對(duì)膠接強(qiáng)度的影響。本系列共設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1 單搭試件的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。分別使用不同的表面處理方法進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接頭強(qiáng)度。比較不同的表面處理方法對(duì)膠接接頭強(qiáng)度的影響。比較膠接接頭強(qiáng)度與試件鋁板機(jī)體強(qiáng)度的大小。

實(shí)驗(yàn)2 單搭試件的物理實(shí)驗(yàn)。對(duì)單搭接頭建立有限元計(jì)算模型并對(duì)對(duì)單搭接頭進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析；建立試件厚度與膠層最大應(yīng)力關(guān)系曲線；分析試件厚度對(duì)接頭強(qiáng)度影響。

2 教學(xué)方法

本課程的教學(xué)一般安排在大學(xué)四年級(jí)上學(xué)期進(jìn)行，共 80個(gè)學(xué)時(shí)，以學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作為主，教師課堂講授為輔的方式授課?？蓪W(xué)生分成若干個(gè)小組，每組約4～5人，采取單個(gè)實(shí)驗(yàn)并行、小組整體輪換方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。每個(gè)小組分配到單個(gè)系列實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為 20個(gè)學(xué)時(shí)。課堂講授與實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間比為1：5，即留出大量時(shí)間讓學(xué)生充分完成實(shí)驗(yàn)。

課程考核工作通常由學(xué)生講述、實(shí)驗(yàn)演示和問題答辯3個(gè)部分組成。學(xué)生在答辯之前完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫以及答辯講義的準(zhǔn)備工作。

（1） 個(gè)人講述 每位學(xué)生完整描述實(shí)驗(yàn)過程和成果，總結(jié)課程收獲點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問題。

（2） 實(shí)驗(yàn)演示 有涉及軟件編程的實(shí)驗(yàn)部分，在教師提供的演示機(jī)上演示軟件功能并展示各功能對(duì)應(yīng)的程序代碼。數(shù)控加工、板料拉彎等實(shí)驗(yàn)可展示加工好的零件實(shí)物。

（3） 問題答辯 針對(duì)每位學(xué)生個(gè)人表述的不同，教師提出一些有關(guān)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、代碼以及功能等相關(guān)問題，以確定學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)高校飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程的教改設(shè)想，已在北航飛行器制造工程系2010級(jí)大四學(xué)生中嘗試運(yùn)行。將全班26位學(xué)生分為4組，每組僅做兩個(gè)系列實(shí)驗(yàn)。從學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排以及運(yùn)行效果看，我們認(rèn)為，完全可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生自己動(dòng)手做3組實(shí)驗(yàn)、觀摩1組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)想。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的飛行器制造工程專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)想，包括4大實(shí)驗(yàn)系列共14個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，既涵蓋傳統(tǒng)的制造工藝，又涉及較新的制造信息化方法。課程設(shè)置的目的是讓學(xué)生盡可能多的掌握航空航天制造過程的相關(guān)工藝和方法，為畢業(yè)后從事航空航天產(chǎn)品的制造打下基礎(chǔ)。

[1] 丁娜仁花. 淺談飛機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].中國高新技術(shù)企業(yè), 2009, (9): 25-26.

[2] 席 平, 王晚霞, 程 偉, 等. 三維 CAD實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(2): 133-138.

[3] 徐 巖. 關(guān)于飛行器制造工程專業(yè)“模具CAD/CAM”教學(xué)的思路[J]. 南昌高專學(xué)報(bào), 2007, (1): 65-66.

Education reform of comprehensive experiment course for aircraft manufacturing engineering specialty in universities

Yan Guangrong, Cheng Wei, Ning Tao
( School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing 100191, China )

An education reform program of comprehensive experiment course for aircraft manufacturing engineering specialty is presented in this paper. This program includes 14 independent experiments which belong to four technologies series. The four technologies series include the aircraft digital design and manufacturing method, metal sheet hot forming way, digital flexible assembly technique and composite material component design and manufacturing method. These experiments involve not only traditional aircraft manufacturing process, but also latest information technology in the aircraft development. It can promote the undergraduate’s ability of action and understanding of the specialty knowledge when they finish all the experiments.

aircraft manufacturing engineering; comprehensive experiment; course; education reform

G 642.0

A

2095-302X (2012)04-0147-04

2011-12-26

閆光榮（1969-），男，重慶忠縣人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)镃AD/CAM/PLM。