面向先进制造的机械加工工艺教学改革方法研究

邢晓红 郭明森 窦小丽 傅宝根 殷英

摘 要：依据机械制造技术课程教学改革要求，对教学内容、教学方法、教学设计等进行了优化和重构。针对课程现状存在的问题，对教学内容进行重新设计；融合线上线下混合式教学模式；改进课程考核方案等。教学效果表明，该项教学改革提高了学生的面向先进制造的实践能力，提升了师资的教学水平。

关键词：先进制造 加工工艺 教学改革

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。继德国2013年提出“工业4.0”战略后，我国于2015年推出《中国制造2025》，强调信息技术与先进制造技术深度融合，将为传统制造业带来深刻变革[1-2]。同时包括南京在内的苏南5个城市成为中国制造2025试点示范城市。2021年十三届全国人大四次会议通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，《纲要》第八章明确指出：要深入实施制造强国战略。坚持自主可控、安全高效，推进产业基础高级化、产业链现代化，保持制造业比重基本稳定，增强制造业竞争优势，推动制造业高质量发展。新知识、新概念的不断涌现和新产品、新工艺的迅速更新加速了市场的变化，企业面临着更加严峻的挑战。企业不仅需要有对市场变化的快速反应能力，还需要通过技术创新和产品更新来不断开拓市场、引导市场能力。作为应用型工科院校培养先进制造技术的技能型人才责无旁贷。

1 课程现状

我校《机械制造技术》课程为机械工程专业必修课，在第六学期进行，要求学生掌握机床结构、刀具、夹具及机械加工工艺过程等，是一门包括《工程制图》、《工程材料学》、《互换性与技术测量》等多门学科交叉的综合性课程；《机械制造技术课程设计》为实践类课程，2学分，共2周，停课进行，根据给定的零件图，制定工艺路线、制定工序卡片、绘制某道工序的夹具装配图及零件图、撰写设计说明书等。这也是学生在走上工作岗位前，进行生产实践的一次历练。生产企业为了适应市场单件、小批量生产，大多采用更高效、柔性的先进制造技术。而国内、国外各大高校在机械制造教学中仍然以普通机床加工的工艺为主，主要存在以下问题：

（1）加工工艺设计方法陈旧。目前机械制造技术课程的实践课程部分-机械加工工艺设计，着重强调零件的实际加工过程，先给出某一零件的零件图，分析其工艺路线、划分加工阶段、绘制工艺卡片、夹具装配图、夹具零件图等，还在采用手工绘图，未能采用先进的CAD/CAM/CAPP技术，也未给出零件的设计要求与工艺过程的联系。例如零件的尺寸精度、几何公差、表面粗糙度等要求与加工基准的选择、加工顺序等之间的关系等；同样的毛坯在不同精度的机床、相同的零件精度要求下，加工效果有何不同[3-6]。所选择的加工机床为普通机床，而实际制造企业已大多采用数控机床，掌握数控机床的机械加工工艺过程也尤为关键。现代制造业从产品的设计到最后完工，每一步都要靠制造技术和加工工艺完成，只有最先进的加工工艺和制造技术，才能使生产出来的机械产品有市场竞争力。

（2）课程体系不完善。原有实践课程中以机械制造课程为主，与机床数控技术、计算机技术、信息技术等关联较少，没有形成面向先进制造技术的完整课程体系。在教学中引入先进制造技术，将机械、电子、能源、材料、信息等技术成果，实现多学科交叉和跨界融合，知识体系更加系统化，综合应用于产品设计、工艺设计、制造、检验、管理等生产周期的过程，以实现“优质、高效、低耗、灵活、清洁”的生产技术模式，取得理想的经济效果。此创新教学方法是基于制造业发展现状，按照先进制造企业思维，理解零件的技术要求决定零件的加工工艺，让同学们感受到实际企业工作中的思维过程，锻炼学生团结协作、自学进取，精益求精的学习态度和工作品格[7]。

（3）课程考核方法不合理。课程考查中，以学生对专业课知识的掌握情况为主，忽视了对先进装备、企业生产方式的掌握。先进制造技术更加注重制造技术与管理方法的结合，运用先进制造模式或管理技术来提升制造系统的绩效水平。通过流程再造提升效率，减少浪费；采用先进的协同生产计划方法来提升对随机动态的市场需求的相应能力。

2 研究思路和方法

2.1 教学内容的设计

对教学内容重新进行系统设计，包括理论教学、实践教学、线上教学和考试考核四部分，如图1所示，强调学科交叉和跨界融合。在理论教学环节，增加车、铣、钻、镗、磨等不同类型的普通机床及数控机床的结构、工艺及传动的教学学时，尤其是机床与夹具、刀具、工件间的位置关系，解决原有机械制造课程的重理论轻应用的问题。在实践教学环节，通过工程训练、实验室参观等实地学习，发布任务书及实施方案，采用CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM软件，将机械、电子、能源、材料、信息等技术成果，应用于产品设计、工艺设计、制造、检验、管理、服务等全生命周期，进行工艺路线的制定、工序卡片的绘制及装配图、零件图的设计等，知识体系更加系统化。在线上教学环节，建立了《机械制造技术》、《工程训练》、《机床数控技术》等线上资源，如图2所示。电子资源和教学课件可以反复观看，配合动画更直观，通过练习及习题，了解学生对知识点的掌握情况。在课程考核环节，注重理论联系实践，分为理论教学考核部分和实践教学考核部分；对先进装备、企业生产方式的掌握。先进制造技术更加注重制造技术与管理方法的结合，运用先进制造模式或管理技术来提升制造系统的绩效水平。通过流程再造提升效率，减少浪费；采用先进的协同生产计划方法来提升对随机动态的市场需求的相应能力。

重新设计的教学内容将机械制造技术、工程训练、机床数控技术等理论及实践课程内容交叉进行，课程结束后学生可熟练掌握机械加工工艺过程，至少掌握2种软件并熟练操作，毕业后可直接胜任机械加工工艺方面的工作。

2.2 教学方法的创新

改革后的教学内容在于能适应机械工业发展的需求，用科技创新带动先进制造技术，用先进制造企业的思维模式指导学生动手操作。根据不同的机械加工工艺方案， 采用智能装备-3D打印机将零件加工出来，通过对精度、粗糙度的测量进行比较，得出最优的机械加工工藝方法。培养学生的机械行业相关的思维能力，为毕业后工作打下坚实的基础。

新教学方法通过对同一个零件设置不同的材料、精度等技术要求，让学生思考分别采用怎样的加工工艺。同一个零件，分别放在普通机床和数控机床上加工，工艺路线有何变化？使学生认识到细微的差别产生巨大的工艺路线变化，开拓思维，认识到“精雕细琢方为器”，成为具有创新、精益求精的“大国工匠”，为社会主义发展做贡献。

新教学方法采用线上线下结合的方式，线上以学生自主学习，通过各种平台了解先进制造系统的关键技术，包括成组技术、敏捷制造、并行工程、快速成形技术、虚拟制造技术、智能制造技術。掌握机械加工的一般流程，如何确定工艺路线，如何制定工艺路线等，并将先进制造技术用于工艺设计中。教师以线下指导为主，将容易出错的问题进行分析讲解，并让学生提出改正方案，使得理论在工程训练实践操作中“学以致用”。也可利用下厂实习等实践课程，通过学生去先进制造企业的参观学习等加深课程理解。

3 案例实施

以常见的连杆零件为例，材料为45钢，模锻件，生产批量为500件，如图3所示。通过对连杆零件分析，制定其工艺路线，绘制工序卡片。

本实施案例旨在培养学生独立解决机械加工工艺问题的能力，使学生熟悉和能够运用标准、国标等技术资料，指导学生分析零件加工的技术要求和企业具备的工艺条件，掌握从事工艺设计的方法和步骤。提出“精雕细琢方为器”的思政要点，培养学生创新、精益求精的“大国工匠”精神。

具体实施中，由教师采用讲授式、启发式、自主探究式教学方法，先提出本次课程要完成的任务，让学生主动思考如何完成本任务。接下来通过案例式教学，对连杆零件进行精度与批量分析、确定定位方案、确定夹紧方案、绘制工序简图等，在问题中一步步得到答案，完成工艺卡片的设计，如图4所示。学生边学边思考边扩充，课程效果良好。

通过案例式教学，学生感兴趣、接受程度高；通过对定位的讲解，纠正工艺卡片设计中容易犯的错误；绘制工艺卡片的4点注意，严格按照国标进行，使学生在技术上做到“精雕细琢”。

4 总结

构建“面向先进制造”的机械加工工艺教学方法，教学中采用CAD/CAM软件，增加数控机床的机械加工工艺；强调“学科交叉”和“跨界融合”，将机械、电子、能源、材料、信息等技术成果，应用于产品设计、工艺设计、制造、检验、管理、服务等全生命周期，知识体系更加系统化；采用“线上线下”结合的多元化教学方式，搭建线上教学平台供学生自主学习，线下教师指导为主，线上线下结合使学生在工程实践操作中做到“学以致用”。

基金项目：全国金工与工训青年教师教学方法创新研究项目，项目名称：面向先进制造的机械加工工艺教学改革研究，项目编号：2022JJGX-WKJY-23。

参考文献：

[1]余和军.从德国工业4.0看科技智库重要作用[N].中国科学报，2020（3）.

[2]孙燕妮，白晓军.《中国制造2025》：中国特色的强国战略[J].智能制造，2020（10）：43–45.

[3]彭宏.阶梯轴的车削振纹分析[J].设备管理与维修，2022（1）：151-152.

[4]吴清雨，姚素娴，杨洪平，等. 某型定子轴加工工艺研究[J].航空精密制造技术，2021，57（6）：50-53.

[5]宋惠珍.农业机械中基轴制孔系零件数控加工与应用研究[J].南方农机，2021，52（21）：42-43.

[6] 贾云飞，张显程.用知识串联方法提升机械制造基础课程教学质量[J].化工高等教育，2022，39（1）：143-147.

[7]张国梁，黄秋娴，邢义虎.“数控编程与加工”课程教学改革探索与实践.实验技术与管理，2021（12）：192-196．