機(jī)械制造技術(shù)課程案例教學(xué)法的應(yīng)用

陳雪麗　謝新義　陳海濤

摘 要：《機(jī)械制造技術(shù)》是培養(yǎng)現(xiàn)代機(jī)械制造專業(yè)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(fù)雜抽象。在課程傳統(tǒng)教學(xué)中，通常以教師授課方式為主導(dǎo)，學(xué)生只能被動地在有限范圍內(nèi)參與案例討論，分析過程簡單膚淺，課堂討論結(jié)果單一，學(xué)生參與度低、成就感差，并且不易掌握課程的關(guān)鍵知識點，甚至難以靈活的將課堂所學(xué)運用與實際工作中。而采用案例教學(xué)法，把課堂教學(xué)問題通過一個真實或模擬的具體情景展現(xiàn)出來，通過對實際問題的討論，引導(dǎo)學(xué)生基于課堂理論知識發(fā)散性思考問題，有利于培養(yǎng)學(xué)生主體性、主動性和自主性，提高學(xué)生對工程實踐的興趣和創(chuàng)造能力，促使學(xué)生積極主動的分析問題，從而增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造技術(shù) 案例教學(xué)法 工程實踐

1 引言

《機(jī)械制造技術(shù)》是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)開設(shè)的一門核心專業(yè)課程，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力，要求學(xué)生能夠根據(jù)工件加工要求，利用所學(xué)知識進(jìn)行刀具選擇、加工工藝設(shè)計等。

傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)課本上缺少相關(guān)的案例和習(xí)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(dǎo)致很多學(xué)生甚至教師都認(rèn)為切削加工時，刀具的選擇就應(yīng)該是書中所言那一類刀具，還沒有從高中階段的科學(xué)思維模式轉(zhuǎn)變到工程思維模式[1]。從根本上來講，學(xué)生缺少工程實踐訓(xùn)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(jīng)驗和理論知識進(jìn)行重新建構(gòu)的能力，無法綜合利用所學(xué)知識進(jìn)行分析和推理，完成某項工程項目。

2 案例教學(xué)法的特點

在教學(xué)中，大部分教師通過以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)方法，進(jìn)行案例教學(xué)。教師為主導(dǎo)，學(xué)生只能被動地在有限范圍內(nèi)參與案例討論，分析過程簡單膚淺，課堂討論結(jié)果單一，導(dǎo)致學(xué)生參與度低、成就感差。

在課堂上采用案例教學(xué)法，把教學(xué)問題通過真實或模擬的具體情景展現(xiàn)出來，學(xué)生沉浸其中。在教師的組織安排下，引導(dǎo)學(xué)生閱讀、思考、分析、討論和交流案例，開發(fā)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，樹立學(xué)生工程創(chuàng)新的教育觀念。

3 刀具的選擇教學(xué)案例

大學(xué)生在接收課堂知識時，采用的是自上而下的學(xué)習(xí)方法，由高度概括向具體經(jīng)驗領(lǐng)域發(fā)展，但缺少必要的情景化案例，導(dǎo)致很多學(xué)生在學(xué)習(xí)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(chǎn)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(jīng)驗或者經(jīng)歷過實訓(xùn)的學(xué)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(jī)械制造技術(shù)的理論知識和生產(chǎn)實際聯(lián)系起來，增強(qiáng)學(xué)生對基本金屬切削技術(shù)理論知識的理解，現(xiàn)在還沒有現(xiàn)成的參考資料。

3.1 首先對銷軸進(jìn)行工藝分析

銷軸材料為42CrMo，硬度是HRC25-28，屬于普通調(diào)質(zhì)件，易加工。加工工藝：外圓—倒角—切斷?，F(xiàn)在可以加入情境，假設(shè)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(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)主偏角的選擇原則和功用：

（1）根據(jù)工件加工材料判定，工件材料硬度中等、強(qiáng)度稍高，屬于調(diào)質(zhì)鋼，可選擇比較小的刀具主偏角；

（2）根據(jù)加工工藝系統(tǒng)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(jù)銷軸加工表面，工件加工面是光軸，若還需加工倒角，應(yīng)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(yīng)該選擇刀具E，實際上是不是這樣呢？從而提出問題，讓學(xué)生思考討論，然后分組選派學(xué)生代表提出討論結(jié)果。

當(dāng)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(xué)生還停留在科學(xué)思維的模式中，腦海中一般都認(rèn)為某一類刀具才可以加工，比如大部分學(xué)生都會選擇刀具E，由于學(xué)生參與的工程項目很少，缺乏工程思維的訓(xùn)練，在進(jìn)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(jīng)過一定的時間思考和討論后，老師開始引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行加工項目的探究和討論：刀具進(jìn)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(fā)，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(dǎo)學(xué)生了解工程思維。工程項目中，所有的問題注定沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，都屬于結(jié)構(gòu)不良問題，教學(xué)的重點不僅僅教授給學(xué)生選擇一個正確答案，而是要鼓勵學(xué)生利用所學(xué)知識和理論綜合分析問題的能力[3]。在實際生產(chǎn)中，解決一個問題，為了盡可能獲取最優(yōu)解，會綜合運用到更多理論知識和經(jīng)驗。

3.2 再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步復(fù)習(xí)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(tǒng)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(nèi)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(dāng)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(tǒng)剛性足夠的情況下，切削過程也越穩(wěn)定，刀尖也更不容易崩刃和損壞。

（4）刀尖圓弧影響：通常，機(jī)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(tǒng)，應(yīng)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(tǒng)，刀尖圓弧越大，理論上表面粗糙度越好，因此也應(yīng)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(shè)備上，用刀具E即可，但在數(shù)控機(jī)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(jìn)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(chǎn)考慮，需要考慮的因素很多，已經(jīng)綜合運用了刀具的基本知識，學(xué)生處在一個高度集中的時間段，他們還需要進(jìn)一步的消化所學(xué)知識[4]。從教育心理學(xué)來講，知識點過多，學(xué)生并不容易結(jié)合自己先前的經(jīng)驗進(jìn)行知識的重新建構(gòu)，這個時候?qū)W生已經(jīng)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(cè)倒角加工的問題

這個時候?qū)W生可以適當(dāng)休息一下，同時，授課教師為了讓學(xué)生繼續(xù)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(dǎo)。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(xué)生，在實際生產(chǎn)中，刀具并不太好用，重新引起學(xué)生的好奇心，根據(jù)前面的分析和討論，刀具E應(yīng)該合適的。

用刀具E進(jìn)行倒角時，右端沒有問題，左端在進(jìn)行徑向進(jìn)給切削時，刀具和工件容易振動。這是由于E刀具在進(jìn)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(jìn)行切削加工，前角和副前角角度不一致，導(dǎo)致切削時刀具兩側(cè)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(chǎn)生振動。

如果選用B、C刀具進(jìn)行工件左側(cè)倒角時，刀具切削時背吃刀量越來越大，也會導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(cè)刀尖；而在切削左側(cè)倒角時，需用右側(cè)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(cè)與工件不發(fā)生碰撞。這一部分內(nèi)容，學(xué)生能夠理解，但是由于生產(chǎn)實際經(jīng)驗很少，同時理論知識不能夠熟練應(yīng)用，學(xué)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(yuǎn)沒有達(dá)到現(xiàn)在的能力。

此時，工藝還分析還沒有結(jié)束，可以再向?qū)W生發(fā)問：（1）切斷刀怎么用？（2）切斷刀進(jìn)行徑向切削時，進(jìn)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(xù)前進(jìn)，還是連續(xù)切削？教師可以提示引導(dǎo)學(xué)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(xì)長，剛性又比較差，很容易導(dǎo)致刀刃崩碎，因此越接近中心，進(jìn)給量f要降低。當(dāng)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(dǎo)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(jié)論

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

基金項目：溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院“十四五”教學(xué)建設(shè)與教學(xué)改革研究項目《機(jī)械制造技術(shù)》課程思政教育的設(shè)計與實施（WZYYB 202216）。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉銳. 案例教學(xué)法在機(jī)械制造基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用分析[J]. 東方教育， 2012， 000（012）：29-29，31.

[2]王友斌. 工程案例教學(xué)法在機(jī)械制造基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2019（20）.

[3]傅永剛 王淑娟. 管理教育中的案例教學(xué)法--案例認(rèn)知．案例采編．案例教學(xué)[M]. 大連理工出版社， 2008.