案例教学法在金属精密塑性成形技术研究生课程中的应用

程钢　原政军　王忠雷　赵彦华

摘 要：选用三通管件的成形工艺设计作为金属精密塑性成形技术研究生课程案例教学实例，教学对象典型，易于实施教学内容，实现教学目标。采用案例教学法，可以将专业理论知识与工程实际案例紧密联系起来，将科研方法和理念融于教学过程中，调动学生积极学习的兴趣，活跃课堂教学气氛，提高教学质量，使学生系统掌握塑性成形技术专业知识，培养学生综合应用现代设计方法及研究手段的能力。

关键词：案例教学法;拉拔成形;三通管件

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

金属精密塑性成形技术广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，随着我国科技水平的飞速发展，社会对高层次人才培养提出了更高的要求。

高校研究生课程不仅要注重传授知识，更应培养学生主动获取知识、发现规律的能力，促使他们成长为国家发展所需要的创新型人才。案例教学法集实践性和探索性为一体[1]，强调在教学过程中以培养学生研究能力为中心，以实际案例为基础，通过呈现案例应用情境，将理论学习与实践应用紧密结合，鼓励学生积极讨论，引导学生通过不断发现问题、分析问题，进而解决问题，最终系统地掌握理论知识、提高研究能力。

金属精密塑性成形技术课程教学主要内容包括精密模锻、精密冲裁、热挤压等金属精密塑性成形工艺及模具设计。通过本课程的学习，以及对新工艺、新技术、新材料、新进展等相关文献的研究，使研究生较清楚地把握本专业发展方向及研究动态[2，3]。在此基础上，结合机械工程实际，重点培养学生分析问题、解决问题的能力和创新精神，适应21世纪科技飞速发展对人才培养的需要[4]。针对本课程实际需要，采用案例教学模式可以最大限度地激发学生的求知欲，有利于夯实研究生的理论基础，进一步充实专业知识，提高独立科研能力。

1 教学思路

在教学中引入综合案例，按照研究内容分解成几个模块，按模块分解任务，关联对应知识点，通过任务驱动、解决问题促使学生掌握知识的内涵和应用。这个过程不仅能让学生在具体任务驱动下学习关联理论知识，而且起到学以致用的效果，真正提升学生的科研能力。

在研究金属成形过程时，有限元分析方法的作用是至关重要的[5，6]。有限元分析方法的运用对减小工程设计量和设计成本都起到了非常重要的作用，例如，有限元分析方法的运用对于模具的设计，工艺参数的选择等方面具有非常大的作用，它不仅可以校核和优化模具设计方案还可以缩短设计周期，有效降低生产成本，提高产品质量[7]。DYNAFORM是一款板材成形模拟软件，用于模拟板料成形工艺。它能够预测板料成形中的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、成形刚度、表面质量等，评价板材成形性能，同时为成形工艺及模具设计提供帮助。结合课程内容和教学需要，设计了基于Dynaform应用的教学案例。

2 教学案例及实施

金属精密塑性成形技术是针对机械制造及其自动化专业研究生所开设的一门专业课，旨在培养学生运用课程知识分析和解决工程实际问题的能力。针对金属精密塑性成形技术课程学时少，内容多的特点，采用案例教学法以研究案例为目标开展教学活动。案例教学过程一般包括案例的选取、教学实施、研究总结、评价反馈等几个环节。

2.1 案例题目的选择

选取三通管件成形工艺研究作为教学案例。三通管件是在工业管道工程施工中用量较大且非常重要的管道配件。目前，管道工程中一般采用铸造三通管、锻造三通管、焊接三通管以及液压胀形三通管等。锻造三通管由于加工体积大，需要去除的材料较多，因此材料大大增加了消耗量，锻造方法比较困难且生产成本高。丁字焊接三通是将支管直接焊接在主管上制造的三通，因为主管上的焊口呈马鞍形，导致焊接难度比较大，不能保证焊接质量，强度也比较低。三通管的液压胀形是一种复合胀形工艺，是在胀形压力、支管平衡压力和轴向压力的综合作用下成形的，工艺复杂。拉拔翻边三通管与支管焊接时工艺简单焊接质量较高，国内对于翻边三通管的制造方法首先是加热管材，然后通过专门的加工设备对管材进行翻边加工，如果需要多次加热，称之为多道次拉拔翻边。这种方法自动化程度不高，操作量大。

为了获得高效、节材、高质量的三通管加工方法，基于冲压工艺研究三通管加工方法。该工艺首先在管件上加工一个预制孔，之后翻边成形凸缘，然后可以将支管直接焊接在凸缘上。该成形工艺不损坏金属的内部纤维，三通管强度高，使用性能好，运用此方法只需焊接一个平面圆，焊接工艺简单，加工精度高，可以实现自动化生产。

选取三通管件成形作为教学案例，一方面是三通管是比较常见的机械产品，对它的形状特征和使用要求比较熟悉;另一方面，三通管件作为教学案例具有结构简单，成形工艺及方法多样等特点;另外，研究三通管件成形需要结合三通管冷翻边中预制孔的计算与优化以及相应的有限元模拟等方法，能够给予学生足够的探究空间，不断完善成形技术。

2.2 案例教学实施

案例教學实施过程一般包括任务分解和布置、学生分组实施、讨论汇报、点评总结等几个环节。

2.2.1 任务分解和布置

针对三通管件的结构和成形特点，教师提出必要的成形工艺要求，如为了保证后续焊接工艺的实施，要求翻边的端口平整、翻边高度满足焊接需求等。影响翻边工艺的因素很多，如预制孔形状、模具间隙、翻遍高度、圆角半径、材料流动性能等。其中预制孔几何形状的设计对翻边支管口平整度的影响最大，而且鉴于三通管翻边成形工艺在圆柱钢管上进行，其几何形状和变形过程都难以控制，预制孔的设计计算比平面翻边预制孔的设计计算相对困难，所以预制孔的几何形状的设计成为三通管翻边成形工艺设计的重点和难点问题。根据案例研究需要，将研究内容分为预制孔几何形状的设计、三通管拉拔的有限元分析及模拟及预制孔尺寸的优化三个模块。

2.2.2 学生分组实施

学生可自由选择案例模块进行研究，确定各自的分工和任务。案例教学的实施可以在相应的章节内容讲授过程中进行，这时学生已经掌握了成形技术的基本概念和方法，可以通过查阅资料、分析讨论等手段，来完成相应的研究内容。由于案例研究的顺利进行需要学生之间的有力配合，而且案例模块之间的研究内容也有交叉之处，学生们通过充分调研、集思广益，进而大大提高了学习效果和效率，很好地培养了团队协作能力。

2.2.3 讨论汇报

学生首先分别介绍各组的研究内容、设计目标、本阶段任务的完成情况。由于各组在文献检索、案例分析的角度和理解深度不一，可以提出不同的设计方案。如平面圆孔翻边的预制孔尺寸计算有两种方法：一是等线长成形理论法，该方法假设翻边工艺与弯曲工艺相似，圆孔翻边时环形变形区内径向素线尺寸不变，通过材料变薄致使翻边成形;二是等面积理论法，该方法认为翻边过程中板料厚度和面积没有变化，是径向素线尺寸变化致使翻边成形。实际翻边成形过程中，材料的厚度和变形区内素线长度是同时变化的，上面这两种理论求解的预制孔尺寸都不是精确值，而是实际工况的两个极限值。利用等线长理论计算的预制孔尺寸偏大，翻边高度较低;利用等面积理论计算的预制孔尺寸偏小，翻边高度较高。从冲压工艺安全性的角度来说，等面积方法更保险。但在翻边成形加工中，成形区板料厚度的变化比径向素线长度的变化更明显，因此等线长理论的计算精度更高。借助Dynaform强大的后处理，可以将三通管成形过程直观地展示出来，让学生理解成形过程中坯料的形状演变和应力应变分布，直观地感受坯料具体的变形特征。如图2、图3所示，优化预制孔形状后，成形管口平整度显著提高。

2.2.4 点评总结

在讨论过程中，教师可以进行点评总结起到引导作用。教师不仅要积极肯定学生的合理思路、创新方法和工艺路线，最大限度地调动学生的研究热情，而且要对各组的研究目标进行评估，对计算方法、分析手段、工艺参数等及时提出质疑，同时给出改进意见，引导学生学会资料整理和归纳，通过深入思考，寻求解决办法，在此基础上归纳总结出所需的知识点，要求学生重点理解和准确掌握，真正实现课堂互动教学。

2.2.5 评价反馈

在课堂报告、讨论和教师点评环节结束后，要求学生依据讨论和点评意见对案例教学作业进行修改和润色。教师对学生提交的最终案例报告进行评分。课程考核与评价由2部分组成：（1）对学生在文献查阅、文档撰写、模型设计、课堂报告和讨论过程中进行跟踪考核，此部分占总成绩的40%;（2）课程以研究项目结题答辩的方式进行考核，学生展示研究成果，教师对成果及资料，包括图纸、样品、课程论文等进行审核并提问，此部分占据成绩的60%。

3 结论

与传统教学相比，案例教学法提供了一种双向的开放式的教学环境，更加强调学生的主动参与性，引导学生进行深入思考和积极讨论。教师也不再以说教为主，更多的是作为指引者。案例教学让教、学双方获得了双赢，教学效果显著提高。下一步要紧密跟随技术的不断进步，进一步优化、更新教学案例，使学生在课堂内、外以分析、思辨为重点，充分调动学生的主观能动性和学习积极性，加强学生对重点、难点的分析和掌握，提升学生应用理论创新性分析和解决实际问题的能力，培养学生科研能力，不断提高教学质量和课程建设水平。

参考文献：

[1]梁君.教学案例库建设的问题与对策[J].科教文汇，2012（03）：35-36.

[2]李艳，曾励.面向专业学位研究生的《机电一体化原理及应用》课程案例教学研究[J].教育现代化，2018，5（09）：236-238.

[3]刘红.专业学位研究生课程建设：知识生产新模式的视角[J].中国高教研究，2015（03）：36-40.

[4]金朝阳，严凯，孙进等.围绕工程案例的金属塑性成形综合实验平台设计[J].课程教育研究，2017（48）：244.

[5]成洪波.论科教融合與应用型创新人才培养[J].高等工程教育研究，2017（08）：141-145.

[6]程亮，孙凌燕，陈逸等.Deform-3D在金属塑性成形原理教学中的应用研究[J].山东工业技术，2018（06）：228，233.

[7]裴正兵，田彩云.高校教师科研成果转化教学案例意义、基础与模式研究[J].高教学刊，2018（17）：82-85.

基金项目：山东建筑大学研究生教育质量提升计划项目（2019年）;国家自然科学基金（51605262）。

作者简介：程钢，男，博士，教授，研究方向：结构有限元分析及优化、塑性加工工艺与模具优化设计。