机械制造技术课程案例教学法的应用

陈雪丽　谢新义　陈海涛

摘 要：《机械制造技术》是培养现代机械制造专业人才的必修核心课程之一，本课程理论概念偏多，知识体系复杂抽象。在课程传统教学中，通常以教师授课方式为主导，学生只能被动地在有限范围内参与案例讨论，分析过程简单肤浅，课堂讨论结果单一，学生参与度低、成就感差，并且不易掌握课程的关键知识点，甚至难以灵活的将课堂所学运用与实际工作中。而采用案例教学法，把课堂教学问题通过一个真实或模拟的具体情景展现出来，通过对实际问题的讨论，引导学生基于课堂理论知识发散性思考问题，有利于培养学生主体性、主动性和自主性，提高学生对工程实践的兴趣和创造能力，促使学生积极主动的分析问题，从而增强学生的综合素质和工程实践能力。

关键词：机械制造技术 案例教学法 工程实践

1 引言

《机械制造技术》是机械设计制造及其自动化专业开设的一门核心专业课程，着重培养学生综合应用能力，要求学生能够根据工件加工要求，利用所学知识进行刀具选择、加工工艺设计等。

传统机械制造技术课本上缺少相关的案例和习题，即便有例题和案例，但并没有说明刀具选择的原则和方法，导致很多学生甚至教师都认为切削加工时，刀具的选择就应该是书中所言那一类刀具，还没有从高中阶段的科学思维模式转变到工程思维模式[1]。从根本上来讲，学生缺少工程实践训练，也没有足够的试错，对于课本上的知识只能够理解表面意思，还没有依靠自己的经验和理论知识进行重新建构的能力，无法综合利用所学知识进行分析和推理，完成某项工程项目。

2 案例教学法的特点

在教学中，大部分教师通过以教师为中心的传统教学方法，进行案例教学。教师为主导，学生只能被动地在有限范围内参与案例讨论，分析过程简单肤浅，课堂讨论结果单一，导致学生参与度低、成就感差。

在课堂上采用案例教学法，把教学问题通过真实或模拟的具体情景展现出来，学生沉浸其中。在教师的组织安排下，引导学生阅读、思考、分析、讨论和交流案例，开发学生的发现问题、分析问题和解决问题的能力，树立学生工程创新的教育观念。

3 刀具的选择教学案例

大学生在接收课堂知识时，采用的是自上而下的学习方法，由高度概括向具体经验领域发展，但缺少必要的情景化案例，导致很多学生在学习金属切削刀具知识时，只能死记硬背刀具的基本角度和刀具材料概念，具体到实际生产中选择刀具时，常常会陷入迷茫，不知从何入手[2]。

以简单的销轴零件为例，如图1所示，有实践经验或者经历过实训的学生都可以讲出加工工艺和刀具选择。但如果从深层次分析该工件的加工工艺，并把机械制造技术的理论知识和生产实际联系起来，增强学生对基本金属切削技术理论知识的理解，现在还没有现成的参考资料。

3.1 首先对销轴进行工艺分析

销轴材料为42CrMo，硬度是HRC25-28，属于普通调质件，易加工。加工工艺：外圆—倒角—切断。现在可以加入情境，假设库房中有以上这些刀具，其中刀杆尺寸一致，刀片都适用于合金钢加工，引导学生进行刀具选择。从图2可以看出，这些刀具仅仅在主偏角、副偏角和刀尖角上不一致，引导学生复习主偏角的选择原则和功用：

（1）根据工件加工材料判定，工件材料硬度中等、强度稍高，属于调质钢，可选择比较小的刀具主偏角；

（2）根据加工工艺系统刚性，销轴直径40，长度60，长径比比较小，可以选择较小的主偏角；

（3）根据销轴加工表面，工件加工面是光轴，若还需加工倒角，应选择主偏角为45°的刀具，即图2中的刀具E。

按照以上的分析，加工外圆时应该选择刀具E，实际上是不是这样呢？从而提出问题，让学生思考讨论，然后分组选派学生代表提出讨论结果。

当然，也可以提出其他问题，比如，哪些刀具可以用来加工此零件的外圆？哪些不可以？由于学生还停留在科学思维的模式中，脑海中一般都认为某一类刀具才可以加工，比如大部分学生都会选择刀具E，由于学生参与的工程项目很少，缺乏工程思维的训练，在进行刀具选择时，更多的思维是停留在能与不能的概念，而不是能用与好用的概念。经过一定的时间思考和讨论后，老师开始引导学生进行加工项目的探究和讨论：刀具进行切削加工需要满足的条件是：一定的硬度、合理的角度和有相对运动。从这3个条件出发，可以判定，从切削加工的可能性来说，以上的刀具都是可以的，没有唯一答案。此时，可引导学生了解工程思维。工程项目中，所有的问题注定没有标准答案，都属于结构不良问题，教学的重点不仅仅教授给学生选择一个正确答案，而是要鼓励学生利用所学知识和理论综合分析问题的能力[3]。在实际生产中，解决一个问题，为了尽可能获取最优解，会综合运用到更多理论知识和经验。

3.2 再引导学生进一步复习刀具的基本理论知识

（1）切削力的影响：在其他条件不变的情况下，随着主偏角的增加，切削力将逐步减少，在主偏角为60°-75°时，切削力最小，背向力随着主偏角的增加而逐步减少。因此，在加工系统刚性足够的情况下，尽量选择主偏角60°-75°的刀具，以便于减少主切削力。且此范围内的主偏角，在相同的背吃刀量情况下，有效切削长度比较大，单位长度的切削力也会减少。

（2）刀具耐用度影响：刀具主偏角较小时，由于刀头散热体积增加，切削温度降低。因此，当其他条件相同时，主偏角较小时，刀具的耐用度是比较高的。

（3）刀尖角影响：刀尖角越大，刀具散热条件越好，刀头部分的刚性越好，在工艺系统刚性足够的情况下，切削过程也越稳定，刀尖也更不容易崩刃和损坏。

（4）刀尖圆弧影响：通常，机夹刀片粗加工时为R0.8，精加工时可选择R0.4或R0.2的刀尖圆弧。对于刚性较好的工艺系统，应选择刀尖圆弧为R0.8。

（5）表面粗糙度影响：刚性足够的工艺系统，刀尖圆弧越大，理论上表面粗糙度越好，因此也应选用刀尖圆弧為R0.8。

在對零件工艺分析时，加工零件外圆时，工艺路线要把两处倒角、端面、外圆一次加工成。如果在普通加工设备上，用刀具E即可，但在数控机床上，倒角可以由刀具走斜线加工而成，因此可选择刀具A或E。左端加持部分的倒角理论上可用刀具B、C和E加工而成，由于B、C刀具可以走斜线，理论上可以完成加持部分的倒角，E刀具可以沿径向进给，完成倒角的加工。综上，最终可选择E刀具。

这是一个比较简单的案例，但如果从实际生产考虑，需要考虑的因素很多，已经综合运用了刀具的基本知识，学生处在一个高度集中的时间段，他们还需要进一步的消化所学知识[4]。从教育心理学来讲，知识点过多，学生并不容易结合自己先前的经验进行知识的重新建构，这个时候学生已经初步具备工程思维，可以简单判断到底选择哪一种刀具比较合适，是否好用，而不是是否能用。

3.3 左侧倒角加工的问题

这个时候学生可以适当休息一下，同时，授课教师为了让学生继续保持好奇心，可以再引入下一个问题，刀具E是否真的合适？这是比较难的问题，教师要做好引导。因为前面讨论的重点主要集中在主偏角上，这个问题涉及到前角和副前角，可以告诉学生，在实际生产中，刀具并不太好用，重新引起学生的好奇心，根据前面的分析和讨论，刀具E应该合适的。

用刀具E进行倒角时，右端没有问题，左端在进行径向进给切削时，刀具和工件容易振动。这是由于E刀具在进行径向切削时，刀具的背吃刀量ap逐步增加，而切削力也随之增加，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时进行切削加工，前角和副前角角度不一致，导致切削时刀具两侧受力不均匀，此时再用刀具E切削时，工件与加持部分连接轴径越来越小，容易使刀具和工件容易产生振动。

如果选用B、C刀具进行工件左侧倒角时，刀具切削时背吃刀量越来越大，也会导致刀具振动，本身刀具的刀尖角比较小，刚性不太好，因此需要多次进给。

3.4 切断刀的使用

此时可以考虑用切断刀，如图3所示。用切断刀进行倒角时，第一，要注意刀具的宽度，一般情况下，切断刀对刀时，是用左侧刀尖；而在切削左侧倒角时，需用右侧刀尖。第二，在倒角之前，需要在切断部位加工一段槽，保证切断刀左侧与工件不发生碰撞。这一部分内容，学生能够理解，但是由于生产实际经验很少，同时理论知识不能够熟练应用，学生很难想到，而实际上，销轴零件的工艺也是不断完善的，最初的工艺远没有达到现在的能力。

此时，工艺还分析还没有结束，可以再向学生发问：（1）切断刀怎么用？（2）切断刀进行径向切削时，进给量f是否一样？（3）切断刀是一直切到根部，还是留有余量？（4）切断刀是断续前进，还是连续切削？教师可以提示引导学生从切削力和切削速度方面思考讨论前两个问题，后两个问题可由教师讲解。

从切削力来看，切削力的大小随着速度的减少而增加，而径向切削时，刀具的切削速度是变化的，因此越接近中心，切削速度越低，切削力会变化很大。另外，切断刀刀头部分细长，刚性又比较差，很容易导致刀刃崩碎，因此越接近中心，进给量f要降低。当然，切断时，零件与加持部位连接的直径越来越小，在直径φ3左右时，就有可能断裂而导致工件飞出，刀尖崩刃，因此需要切到φ3时，停车，手工取出工件。

4 结论

本课题以机械制造技术课程案例教学为研究对象，针对教学中实际加工的车刀刀具选择为研究对象，引入企业生产实际中所加工的工件，从企业技术人员的角度来考虑分析问题，把工程思维逐步灌输给学生，加深了学生对机械加工刀具选择知识点的理解和掌握，提高了学生的综合应用能力。

基金项目：温州职业技术学院“十四五”教学建设与教学改革研究项目《机械制造技术》课程思政教育的设计与实施（WZYYB 202216）。

参考文献：

[1]李伟锐. 案例教学法在机械制造基础课程教学中的应用分析[J]. 东方教育， 2012， 000（012）：29-29，31.

[2]王友斌. 工程案例教学法在机械制造基础教学中的应用分析[J]. 山东工业技术， 2019（20）.

[3]傅永刚 王淑娟. 管理教育中的案例教学法--案例认知．案例采编．案例教学[M]. 大连理工出版社， 2008.