飛行器制造工程專業(yè)航空特色教學(xué)案例設(shè)計(jì)*

劉長(zhǎng)青 李迎光 郝小忠

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

飛行器制造工程專業(yè)航空特色教學(xué)案例設(shè)計(jì)*

劉長(zhǎng)青 李迎光 郝小忠

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

教學(xué)案例對(duì)于提高學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)理論和實(shí)踐技能具有重要作用。圍繞飛行器制造工程專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，文章提出了具有航空專業(yè)特色的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark教學(xué)案例設(shè)計(jì)方法。以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark的數(shù)字化建模、加工工藝規(guī)劃、三維工藝建模和數(shù)控加工編程等設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)為核心內(nèi)容，按照各門課程特點(diǎn)，分別輻射至飛行器制造工程專業(yè)機(jī)械類相關(guān)課程，構(gòu)建基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark的飛行器制造工程機(jī)械類課程群教學(xué)案例體系。

飛行器制造工程；機(jī)械類課程；教學(xué)案例；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；Benchmark

引言

飛行器制造工程專業(yè)承擔(dān)著培養(yǎng)在飛行器制造與機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)從事設(shè)計(jì)、制造、研究、開發(fā)與管理的高級(jí)工程技術(shù)人才和管理人才的重要任務(wù)。中國(guó)航空航天事業(yè)的高速發(fā)展對(duì)飛行器制造工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了更高的要求［1］。教學(xué)課程的合理設(shè)計(jì)是提高學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)理論和實(shí)踐技能、提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的一條有效途徑，其中對(duì)課程教學(xué)案例的設(shè)計(jì)可以顯著提高教學(xué)效果。案例教學(xué)法是通過(guò)對(duì)典型案例的分析與實(shí)踐進(jìn)行教學(xué)的方法［2］。案例教學(xué)法有助于學(xué)生對(duì)該課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)和理解，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，有利于激發(fā)學(xué)生探討工程實(shí)踐的濃厚興趣，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力起到良好的促進(jìn)作用［3，4］。針對(duì)飛行器制造工程專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)需求，如何結(jié)合航空特色，設(shè)計(jì)貼合教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)案例，仍需要深入研究。

一、飛行器制造工程專業(yè)機(jī)械類課程教學(xué)案例現(xiàn)狀

飛行器制造工程以一般機(jī)械制造工程為基礎(chǔ)，廣泛吸收各種先進(jìn)技術(shù)和科學(xué)理論的成果，針對(duì)飛行器的特點(diǎn)研究各種制造方法的機(jī)理和應(yīng)用，探求制造過(guò)程的規(guī)律，合理利用資源，經(jīng)濟(jì)而高效率地制造先進(jìn)優(yōu)質(zhì)飛行器的一門技術(shù)科學(xué)。飛行器制造工程專業(yè)同時(shí)具有航空航天和機(jī)械工程的屬性，機(jī)械類課程在飛行器制造工程專業(yè)具有重要作用，是培養(yǎng)該專業(yè)人才適應(yīng)行業(yè)需求、建立核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要內(nèi)容。

針對(duì)飛行器制造工程專業(yè)的課程體系已有大量的研究探索［1-7］，而在目前的飛行器制造工程專業(yè)機(jī)械類課程中，教學(xué)案例基本上是以通用機(jī)械案例為主，學(xué)生難以將所學(xué)理論與飛行器制造相結(jié)合，對(duì)所學(xué)專業(yè)缺乏深入的了解，對(duì)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣帶來(lái)了很大的障礙［8，9］，而且培養(yǎng)的學(xué)生在畢業(yè)后難以快速適應(yīng)工作崗位。

一直沒(méi)有出現(xiàn)針對(duì)飛行器制造工程專業(yè)機(jī)械類課程的航空特色教學(xué)案例的根本原因是飛行器所涉及的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝復(fù)雜、系統(tǒng)性強(qiáng)，難以提煉出適合教學(xué)的案例。

二、基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark的教學(xué)案例設(shè)計(jì)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是飛機(jī)的主承力件，其制造直接影響飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動(dòng)性能。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造是衡量一個(gè)國(guó)家航空制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。選擇飛機(jī)結(jié)構(gòu)件作為教學(xué)案例具有很強(qiáng)的航空特色，并具有一定的代表性。

作者所在課題組在國(guó)家自然科學(xué)基金、“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)等多項(xiàng)國(guó)家課題的支持下，多年來(lái)一直從事航空航天大型結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工技術(shù)研究，與國(guó)內(nèi)多家大型航空制造企業(yè)建立了深入的合作關(guān)系，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的研制具有深入的了解。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件種類多，包括框、梁、肋、壁板和接頭等。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件尺寸大，且由于氣動(dòng)外形、重量、裝配等方面的嚴(yán)格要求，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難以直接用于教學(xué)研究。課題組經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件雖然各不相同，但都是由一系列加工特征構(gòu)成。加工特征是具有一定加工工藝語(yǔ)義的幾何形狀［10］。通過(guò)對(duì)加工特征的組合形成了各種不同的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件?；谝陨纤悸?，課題組通過(guò)對(duì)多家航空制造企業(yè)的深入調(diào)研，建立了能夠反映飛機(jī)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工藝特點(diǎn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark，以此為基礎(chǔ)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利并被授權(quán)［11］。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark是一個(gè)雙面零件，尺寸為：600mm×400mm×100mm，整體輪廓呈n形，內(nèi)輪廓由呈C形的開閉角混合的自由曲面構(gòu)成，最大開角角度和閉角角度均為15°。Benchmark中的加工特征設(shè)計(jì)原則是盡量覆蓋飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的典型加工特征，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark模型

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark正面腹板高度不一，筋頂高低不一。正面包含槽特征、筋特征、孔特征等。其中槽特征包含多層槽、開口槽、封閉槽、開角槽、閉角槽、開閉角混合槽、含下陷槽、含凸臺(tái)槽。筋特征包含平頂筋、斜頂筋、曲頂筋、獨(dú)立筋、開口筋。孔特征的孔徑從R2～R20不等分布。相交特征包含槽與孔相交、多層槽相交、開口筋與槽相交、獨(dú)立筋與槽相交等情況。特征之間的組合關(guān)系體現(xiàn)為大面積槽與多層槽組合、槽與筋的組合、槽與孔之間的組合、多層槽與開口槽之間的組合。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark反面腹板高度一致、筋頂高度一致反面。其中槽特征包含三角槽、窄深槽、開口槽、封閉槽、閉角槽、開閉角混合槽、單層槽、下陷槽。特征組合體現(xiàn)為小面積窄深槽、大面積槽、開口槽、單層槽之間的組合。外輪廓含凸下陷、凹下陷、閉角、開角等情況，輪廓含有側(cè)孔。

槽特征含腹板的厚度1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm不等，腹板面積含4000mm2、5000mm2、12000mm2、14000mm2、21000mm2、23000mm2、25000mm2、29000mm2、4400mm2，多層槽分為2層或3層，層差含0.75mm、1mm、1.5mm。多層槽含階梯分布、巢居分布、交叉分布等情形，凸臺(tái)槽含孔，轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)角之間的距離含有小于三倍轉(zhuǎn)角半徑的情況。轉(zhuǎn)角半徑含有R5mm、R6mm、R6.5mm、R8mm、R10mm五種情況，轉(zhuǎn)角角度含有鈍角、直角、和銳角三種情況，轉(zhuǎn)角含有三軸加工和五軸加工兩種情況。筋特征的筋高度含30mm、35mm、38mm、45mm等情況，側(cè)壁厚度含2mm、3mm兩種情況。

從結(jié)構(gòu)和工藝方面分析，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark具有以下特點(diǎn)：

1.薄壁結(jié)構(gòu)多，由于薄壁結(jié)構(gòu)加工易變形，加工過(guò)程中易發(fā)生顫振等問(wèn)題，對(duì)裝夾方案設(shè)計(jì)、走刀策略選擇以及切削參數(shù)設(shè)置提出了很高的要求。

2.特征類型多，不同的特征類型需要不同的走刀策略，尺寸變化范圍大，不同的特征剛性不同，對(duì)切削參數(shù)的需求也不同，對(duì)切削參數(shù)的要求高。

3.相交特征多，特征識(shí)別及驅(qū)動(dòng)幾何的生成難度大。

4.富含曲面，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的曲面一般要五軸加工，所以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控編程需要掌握五軸加工刀軌的生成方法。

5.含有特殊加工區(qū)域，特殊結(jié)構(gòu)需要特殊的加工方式，如側(cè)面孔。

由以上分析可知，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark具有一定的復(fù)雜性和代表性，其數(shù)字化建模、加工工藝規(guī)劃、數(shù)控加工編程和三維工藝建模均需要綜合掌握課程基本原理的基礎(chǔ)上，廣泛學(xué)習(xí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工工藝和相關(guān)軟件工具才能完成。根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，能夠起到更好的教學(xué)效果［12］。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark的學(xué)習(xí)，能夠系統(tǒng)掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工工藝。

三、基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark的機(jī)械類課程群案例建設(shè)

圍繞飛行器制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案、以《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）》、《數(shù)字化智能制造與創(chuàng)新》、《機(jī)床數(shù)控技術(shù)》、《機(jī)械制造工藝學(xué)》4門課程為突破口，將CAD建模、加工工藝規(guī)劃、三維工藝建模、數(shù)控加工編程、基于特征的創(chuàng)新案例分析、數(shù)控加工機(jī)床仿真等6個(gè)教學(xué)模塊的設(shè)計(jì)與原有課程教學(xué)體系相結(jié)合。根據(jù)課程特點(diǎn)，將案例內(nèi)容向不同課程進(jìn)行輻射。同時(shí)根據(jù)各門課程的特點(diǎn)豐富教學(xué)案例，實(shí)現(xiàn)飛行器制造工程專業(yè)教學(xué)資源的共享，如圖2所示。

為了使飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark案例發(fā)揮更好的效果，使用該案例采取了以下教學(xué)方法：

1.按4門課程設(shè)置4個(gè)教學(xué)小組，課程任課老師任小組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)本門課程的6個(gè)或部分教學(xué)模塊的建設(shè)。

2.按6個(gè)教學(xué)模塊確定子項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)本教學(xué)模塊的總體規(guī)劃與建設(shè)，并負(fù)責(zé)與教學(xué)小組長(zhǎng)溝通協(xié)調(diào)教學(xué)模塊在相關(guān)課程中的布局以及與本教學(xué)模塊的關(guān)系。

3.在課程建設(shè)內(nèi)容中選擇有亮點(diǎn)的部分，以視頻、短片、MOOC等形式展現(xiàn)。

圖2 基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark的機(jī)械類課程群案例建設(shè)方案

該課程群的教學(xué)案例建設(shè)具有以下特色：

1.最新的科研成果向教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)成果轉(zhuǎn)化。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark作為作者科研團(tuán)隊(duì)的成果，與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，使得教學(xué)內(nèi)容有著較強(qiáng)的行業(yè)背景，代表著行業(yè)的最新成果。

2.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark是對(duì)航空典型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工特征的調(diào)研、歸類、總結(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，航空特色鮮明。

3.以4門課程、6個(gè)教學(xué)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，既可以針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生，不同課程進(jìn)行優(yōu)化選擇，也可以按6個(gè)教學(xué)模塊獨(dú)立成一門緊密的課程，充分實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享。

4.具有可擴(kuò)展性。隨著學(xué)科建設(shè)和課程建設(shè)的不斷完善，該研究成果可輻射到相關(guān)專業(yè)的其他課程、實(shí)踐教學(xué)及大學(xué)生工程訓(xùn)練教學(xué)中。

四、結(jié)束語(yǔ)

以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark為基礎(chǔ)，構(gòu)建了飛行器制造工程專業(yè)機(jī)械類4門課程6個(gè)模塊的教學(xué)案例體系，形成了飛行器制造工程專業(yè)的航空特色教學(xué)方法。通過(guò)該案例的教學(xué)，學(xué)生能夠有效地將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，在進(jìn)一步掌握理論的基礎(chǔ)上，提升專業(yè)相關(guān)技能，同時(shí)對(duì)本專業(yè)有深入的認(rèn)識(shí)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件Benchmark為學(xué)生了解飛機(jī)的研制打開了一扇窗口，能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的學(xué)習(xí)激情，也為本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后從事本領(lǐng)域的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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The teaching case is very important for students to improve both theoretical knowledge of specialty and practicing skills.Surrounding with the cultivating goals of the students of aircraft manufacturing engineering specialty，a novel teaching case design method of aircraft structural parts of Benchmark is proposed，which is featured as aeronautics specialty.Taking the key design and manufacturing segments of digital modeling，processing craft planning，3D craft modeling，and numerical control manufacturing programming of the Benchmark with proprietary intellectual property rights as the core contents，through radiating these content to related courses of aircraft manufacturing engineering specialty according to the characteristics of the various mechanical courses，it is suggested that the teaching case system of the related mechanical courses of aircraft manufacturing engineering specialty based on the Benchmark aircraft structural parts should be built.

aircraft manufacturing engineering；mechanical courses；teaching case；innovation design；Benchmark

G642

A

2096-000X（2016）20-0060-03

本論文研究受以下課題資助：江蘇省高等教育教改重點(diǎn)項(xiàng)目（No.2015JSJG021，2015.8-2017.8，“建設(shè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化航空制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系”，李迎光，郝小忠，劉長(zhǎng)青）和南京航空航天大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2015.05-2016.12，“航空特色機(jī)械類課程群教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)踐”，劉長(zhǎng)青，郝小忠）

劉長(zhǎng)青（1986-），南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，博士，講師，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造與智能制造。李迎光（1976-），南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，博士，教授，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造與智能制造。郝小忠（1980-），南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造與智能制造。