面向先進制造的機械加工工藝教學改革方法研究

邢曉紅 郭明森 竇小麗 傅寶根 殷英

摘 要：依據機械制造技術課程教學改革要求，對教學內容、教學方法、教學設計等進行了優化和重構。針對課程現狀存在的問題，對教學內容進行重新設計；融合線上線下混合式教學模式；改進課程考核方案等。教學效果表明，該項教學改革提高了學生的面向先進制造的實踐能力，提升了師資的教學水平。

關鍵詞：先進制造 加工工藝 教學改革

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。繼德國2013年提出“工業4.0”戰略后，我國于2015年推出《中國制造2025》，強調信息技術與先進制造技術深度融合，將為傳統制造業帶來深刻變革[1-2]。同時包括南京在內的蘇南5個城市成為中國制造2025試點示范城市。2021年十三屆全國人大四次會議通過了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，《綱要》第八章明確指出：要深入實施制造強國戰略。堅持自主可控、安全高效，推進產業基礎高級化、產業鏈現代化，保持制造業比重基本穩定，增強制造業競爭優勢，推動制造業高質量發展。新知識、新概念的不斷涌現和新產品、新工藝的迅速更新加速了市場的變化，企業面臨著更加嚴峻的挑戰。企業不僅需要有對市場變化的快速反應能力，還需要通過技術創新和產品更新來不斷開拓市場、引導市場能力。作為應用型工科院校培養先進制造技術的技能型人才責無旁貸。

1 課程現狀

我校《機械制造技術》課程為機械工程專業必修課，在第六學期進行，要求學生掌握機床結構、刀具、夾具及機械加工工藝過程等，是一門包括《工程制圖》、《工程材料學》、《互換性與技術測量》等多門學科交叉的綜合性課程；《機械制造技術課程設計》為實踐類課程，2學分，共2周，停課進行，根據給定的零件圖，制定工藝路線、制定工序卡片、繪制某道工序的夾具裝配圖及零件圖、撰寫設計說明書等。這也是學生在走上工作崗位前，進行生產實踐的一次歷練。生產企業為了適應市場單件、小批量生產，大多采用更高效、柔性的先進制造技術。而國內、國外各大高校在機械制造教學中仍然以普通機床加工的工藝為主，主要存在以下問題：

（1）加工工藝設計方法陳舊。目前機械制造技術課程的實踐課程部分-機械加工工藝設計，著重強調零件的實際加工過程，先給出某一零件的零件圖，分析其工藝路線、劃分加工階段、繪制工藝卡片、夾具裝配圖、夾具零件圖等，還在采用手工繪圖，未能采用先進的CAD/CAM/CAPP技術，也未給出零件的設計要求與工藝過程的聯系。例如零件的尺寸精度、幾何公差、表面粗糙度等要求與加工基準的選擇、加工順序等之間的關系等；同樣的毛坯在不同精度的機床、相同的零件精度要求下，加工效果有何不同[3-6]。所選擇的加工機床為普通機床，而實際制造企業已大多采用數控機床，掌握數控機床的機械加工工藝過程也尤為關鍵。現代制造業從產品的設計到最后完工，每一步都要靠制造技術和加工工藝完成，只有最先進的加工工藝和制造技術，才能使生產出來的機械產品有市場競爭力。

（2）課程體系不完善。原有實踐課程中以機械制造課程為主，與機床數控技術、計算機技術、信息技術等關聯較少，沒有形成面向先進制造技術的完整課程體系。在教學中引入先進制造技術，將機械、電子、能源、材料、信息等技術成果，實現多學科交叉和跨界融合，知識體系更加系統化，綜合應用于產品設計、工藝設計、制造、檢驗、管理等生產周期的過程，以實現“優質、高效、低耗、靈活、清潔”的生產技術模式，取得理想的經濟效果。此創新教學方法是基于制造業發展現狀，按照先進制造企業思維，理解零件的技術要求決定零件的加工工藝，讓同學們感受到實際企業工作中的思維過程，鍛煉學生團結協作、自學進取，精益求精的學習態度和工作品格[7]。

（3）課程考核方法不合理。課程考查中，以學生對專業課知識的掌握情況為主，忽視了對先進裝備、企業生產方式的掌握。先進制造技術更加注重制造技術與管理方法的結合，運用先進制造模式或管理技術來提升制造系統的績效水平。通過流程再造提升效率，減少浪費；采用先進的協同生產計劃方法來提升對隨機動態的市場需求的相應能力。

2 研究思路和方法

2.1 教學內容的設計

對教學內容重新進行系統設計，包括理論教學、實踐教學、線上教學和考試考核四部分，如圖1所示，強調學科交叉和跨界融合。在理論教學環節，增加車、銑、鉆、鏜、磨等不同類型的普通機床及數控機床的結構、工藝及傳動的教學學時，尤其是機床與夾具、刀具、工件間的位置關系，解決原有機械制造課程的重理論輕應用的問題。在實踐教學環節，通過工程訓練、實驗室參觀等實地學習，發布任務書及實施方案，采用CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM軟件，將機械、電子、能源、材料、信息等技術成果，應用于產品設計、工藝設計、制造、檢驗、管理、服務等全生命周期，進行工藝路線的制定、工序卡片的繪制及裝配圖、零件圖的設計等，知識體系更加系統化。在線上教學環節，建立了《機械制造技術》、《工程訓練》、《機床數控技術》等線上資源，如圖2所示。電子資源和教學課件可以反復觀看，配合動畫更直觀，通過練習及習題，了解學生對知識點的掌握情況。在課程考核環節，注重理論聯系實踐，分為理論教學考核部分和實踐教學考核部分；對先進裝備、企業生產方式的掌握。先進制造技術更加注重制造技術與管理方法的結合，運用先進制造模式或管理技術來提升制造系統的績效水平。通過流程再造提升效率，減少浪費；采用先進的協同生產計劃方法來提升對隨機動態的市場需求的相應能力。

重新設計的教學內容將機械制造技術、工程訓練、機床數控技術等理論及實踐課程內容交叉進行，課程結束后學生可熟練掌握機械加工工藝過程，至少掌握2種軟件并熟練操作，畢業后可直接勝任機械加工工藝方面的工作。

2.2 教學方法的創新

改革后的教學內容在于能適應機械工業發展的需求，用科技創新帶動先進制造技術，用先進制造企業的思維模式指導學生動手操作。根據不同的機械加工工藝方案， 采用智能裝備-3D打印機將零件加工出來，通過對精度、粗糙度的測量進行比較，得出最優的機械加工工藝方法。培養學生的機械行業相關的思維能力，為畢業后工作打下堅實的基礎。

新教學方法通過對同一個零件設置不同的材料、精度等技術要求，讓學生思考分別采用怎樣的加工工藝。同一個零件，分別放在普通機床和數控機床上加工，工藝路線有何變化？使學生認識到細微的差別產生巨大的工藝路線變化，開拓思維，認識到“精雕細琢方為器”，成為具有創新、精益求精的“大國工匠”，為社會主義發展做貢獻。

新教學方法采用線上線下結合的方式，線上以學生自主學習，通過各種平臺了解先進制造系統的關鍵技術，包括成組技術、敏捷制造、并行工程、快速成形技術、虛擬制造技術、智能制造技術。掌握機械加工的一般流程，如何確定工藝路線，如何制定工藝路線等，并將先進制造技術用于工藝設計中。教師以線下指導為主，將容易出錯的問題進行分析講解，并讓學生提出改正方案，使得理論在工程訓練實踐操作中“學以致用”。也可利用下廠實習等實踐課程，通過學生去先進制造企業的參觀學習等加深課程理解。

3 案例實施

以常見的連桿零件為例，材料為45鋼，模鍛件，生產批量為500件，如圖3所示。通過對連桿零件分析，制定其工藝路線，繪制工序卡片。

本實施案例旨在培養學生獨立解決機械加工工藝問題的能力，使學生熟悉和能夠運用標準、國標等技術資料，指導學生分析零件加工的技術要求和企業具備的工藝條件，掌握從事工藝設計的方法和步驟。提出“精雕細琢方為器”的思政要點，培養學生創新、精益求精的“大國工匠”精神。

具體實施中，由教師采用講授式、啟發式、自主探究式教學方法，先提出本次課程要完成的任務，讓學生主動思考如何完成本任務。接下來通過案例式教學，對連桿零件進行精度與批量分析、確定定位方案、確定夾緊方案、繪制工序簡圖等，在問題中一步步得到答案，完成工藝卡片的設計，如圖4所示。學生邊學邊思考邊擴充，課程效果良好。

通過案例式教學，學生感興趣、接受程度高；通過對定位的講解，糾正工藝卡片設計中容易犯的錯誤；繪制工藝卡片的4點注意，嚴格按照國標進行，使學生在技術上做到“精雕細琢”。

4 總結

構建“面向先進制造”的機械加工工藝教學方法，教學中采用CAD/CAM軟件，增加數控機床的機械加工工藝；強調“學科交叉”和“跨界融合”，將機械、電子、能源、材料、信息等技術成果，應用于產品設計、工藝設計、制造、檢驗、管理、服務等全生命周期，知識體系更加系統化；采用“線上線下”結合的多元化教學方式，搭建線上教學平臺供學生自主學習，線下教師指導為主，線上線下結合使學生在工程實踐操作中做到“學以致用”。

基金項目：全國金工與工訓青年教師教學方法創新研究項目，項目名稱：面向先進制造的機械加工工藝教學改革研究，項目編號：2022JJGX-WKJY-23。

參考文獻：

[1]余和軍.從德國工業4.0看科技智庫重要作用[N].中國科學報，2020（3）.

[2]孫燕妮，白曉軍.《中國制造2025》：中國特色的強國戰略[J].智能制造，2020（10）：43–45.

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[4]吳清雨，姚素嫻，楊洪平，等. 某型定子軸加工工藝研究[J].航空精密制造技術，2021，57（6）：50-53.

[5]宋惠珍.農業機械中基軸制孔系零件數控加工與應用研究[J].南方農機，2021，52（21）：42-43.

[6] 賈云飛，張顯程.用知識串聯方法提升機械制造基礎課程教學質量[J].化工高等教育，2022，39（1）：143-147.

[7]張國梁，黃秋嫻，邢義虎.“數控編程與加工”課程教學改革探索與實踐.實驗技術與管理，2021（12）：192-196．