飞行器制造工程专业航空特教学案例设计作者：刘长青 李迎光 郝小忠来源：《高教学刊》2016年第20期 摘 要：教学案例对于提高学生掌握专业知识理论和实践技能具有重要作用。围绕飞行器制造工程专业的学生培养目标，文章提出了具有航空专业特的飞机结构件Benchmark教学案例设计方法。以具有自主知识产权的飞机结构件Benchmark的数字化建模、加工工艺规划、三维工艺建模和数控加工编程等设计制造环节为核心内容，按照各门课程特点，分别辐射至飞行器制造工程专业机械类相关课程，构建基于飞机结构件Benchmark的飞行器制造工程机械类课程教学案例体系。 关键词：飞行器制造工程；机械类课程；教学案例；创新设计；Benchmark
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2016）20-0060-03
Abstract： 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 m
anufacturing 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.
Keywords： aircraft manufacturing engineering； mechanical courses； teaching case； innovation design； Benchmark
引言
飛行器制造工程专业承担着培养在飞行器制造与机械制造领域内从事设计、制造、研究、开发与管理的高级工程技术人才和管理人才的重要任务。中国航空航天事业的高速发展对飞行器制造工程专业的人才培养提出了更高的要求[1]。教学课程的合理设计是提高学生掌握专业知识理论和实践技能、提高学生培养质量的一条有效途径，其中对课程教学案例的设计可以显著提高教学效果。案例教学法是通过对典型案例的分析与实践进行教学的方法[2]。
案例教学法有助于学生对该课程内容的学习和理解，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，有利于激发学生探讨工程实践的浓厚兴趣，对培养学生的工程素质、创新意识和创新能力起到良好的促进作用[3， 4]。针对飞行器制造工程专业的学生培养需求，如何结合航空特，设计贴合教学内容的教学案例，仍需要深入研究。
一、飞行器制造工程专业机械类课程教学案例现状
飞行器制造工程以一般机械制造工程为基础，广泛吸收各种先进技术和科学理论的成果，针对飞行器的特点研究各种制造方法的机理和应用，探求制造过程的规律，合理利用资源，经济而高效率地制造先进优质飞行器的一门技术科学。飞行器制造工程专业同时具有航空航天和机械工程的属性，机械类课程在飞行器制造工程专业具有重要作用，是培养该专业人才适应行业需求、建立核心竞争力的重要内容。
针对飞行器制造工程专业的课程体系已有大量的研究探索[1-7]，而在目前的飞行器制造工程专业机械类课程中，教学案例基本上是以通用机械案例为主，学生难以将所学理论与飞行器制造相结合，对所学专业缺乏深入的了解，对进一步激发学生的专业学习兴趣带来了很大的障碍[8，9]，而且培养的学生在毕业后难以快速适应工作岗位。
一直没有出现针对飞行器制造工程专业机械类课程的航空特教学案例的根本原因是飞行器所涉及的零件结构复杂、工艺复杂、系统性强，难以提炼出适合教学的案例。
二、基于飞机结构件Benchmark的教学案例设计
飞机结构件是飞机的主承力件，其制造直接影响飞机的结构强度和气动性能。飞机结构件的制造是衡量一个国家航空制造业水平的重要标志。选择飞机结构件作为教学案例具有很强的航空特，并具有一定的代表性。
作者所在课题组在国家自然科学基金、“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项等多项国家课题的支持下，多年来一直从事航空航天大型结构件的数控加工技术研究，与国内多家大型航空制造企业建立了深入的合作关系，对飞机结构件的研制具有深入的了解。
飞机结构件种类多，包括框、梁、肋、壁板和接等。飞机结构件尺寸大，且由于气动外形、重量、装配等方面的严格要求，结构十分复杂，难以直接用于教学研究。课题组经过研究发现，每个飞机结构件虽然各不相同，但都是由一系列加工特征构成。加工特征是具有一定加工工艺语义的几何形状[10]。通过对加工特征的组合形成了各种不同的飞机结构件。
基于以上思路，课题组通过对多家航空制造企业的深入调研，建立了能够反映飞机结构件结构特点与工艺特点的飞机结构件Benchmark，以此为基础申请了国家发明专利并被授权[11]。
飞机结构件Benchmark是一个双面零件，尺寸为：600mm×400mm×100mm，整体轮廓呈n形，内轮廓由呈C形的开闭角混合的自由曲面构成，最大开角角度和闭角角度均为15？觷。Benchmark中的加工特征设计原则是尽量覆盖飞机结构件的典型加工特征，如图1所示。
飞机结构件Benchmark正面腹板高度不一，筋顶高低不一。正面包含槽特征、筋特征、孔特征等。其中槽特征包含多层槽、开口槽、封闭槽、开角槽、闭角槽、开闭角混合槽、含下陷槽、含凸台槽。筋特征包含平顶筋、斜顶筋、曲顶筋、独立筋、开口筋。孔特征的孔径从R2～R20不等分布。相交特征包含槽与孔相交、多层槽相交、开口筋与槽相交、独立筋与槽相交等情况。特征之间的组合关系体现为大面积槽与多层槽组合、槽与筋的组合、槽与孔之间的组合、多层槽与开口槽之间的组合。
飞机结构件Benchmark反面腹板高度一致、筋顶高度一致反面。其中槽特征包含三角槽
、窄深槽、开口槽、封闭槽、闭角槽、开闭角混合槽、单层槽、下陷槽。特征组合体现为小面积窄深槽、大面积槽、开口槽、单层槽之间的组合。外轮廓含凸下陷、凹下陷、闭角、开角等情况，轮廓含有侧孔。
槽特征含腹板的厚度1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm、5mm不等，腹板面积含4000mm2、5000mm2、12000mm2、14000mm2、21000mm2、23000mm2、25000mm2、29000mm2、4400mm2，多层槽分为2层或3层，层差含0.75mm、1mm、1.5mm。多层槽含阶梯分布、巢居分布、交叉分布等情形，凸台槽含孔，转角与转角之间的距离含有小于三倍转角半径的情况。转角半径含有R5mm、R6mm、R6.5mm、R8mm、R10mm五种情况，转角角度含有钝角、直角、和锐角三种情况，转角含有三轴加工和五轴加工两种情况。筋特征的筋高度含30mm、35mm、38mm、45mm等情况，侧壁厚度含2mm、3mm两种情况。
从结构和工艺方面分析，飞机结构件Benchmark具有以下特点：
1. 薄壁结构多，由于薄壁结构加工易变形，加工过程中易发生颤振等问题，对装夹方案设计、走刀策略选择以及切削参数设置提出了很高的要求。
2. 特征类型多，不同的特征类型需要不同的走刀策略，尺寸变化范围大，不同的特征刚性不同，对切削参数的需求也不同，对切削参数的要求高。
3. 相交特征多，特征识别及驱动几何的生成难度大。
4. 富含曲面，飞机结构件的曲面一般要五轴加工，所以飞机结构件的数控编程需要掌握五轴加工刀轨的生成方法。
5. 含有特殊加工区域，特殊结构需要特殊的加工方式，如侧面孔。
由以上分析可知，飞机结构件Benchmark具有一定的复杂性和代表性，其数字化建模、加工工艺规划、数控加工编程和三维工艺建模均需要综合掌握课程基本原理的基础上，广泛学习飞机结构件的加工工艺和相关软件工具才能完成。根据建构主义学习理论，能够起到更好的教学效果[12]。在教学过程中，学生通过对飞机结构件Benchmark的学习，能够系统掌握飞机结构件的加工工艺。
三、基于飞机结构件Benchmark的机械类课程案例建设
围绕飞行器制造工程专业人才培养方案、以《计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）》、《数字化智能制造与创新》、《机床数控技术》、《机械制造工艺学》4门课程为突破口，将CAD建模、加工工艺规划、三维工艺建模、数控加工编程、基于特征的创新案例分析、数控加工机床仿真等6个教学模块的设计与原有课程教学体系相结合。根据课程特点，将案例内容向不同课程进行辐射。同时根据各门课程的特点丰富教学案例，实现飞行器制造工程专业教学资源的共享，如图2所示。
为了使飞机结构件Benchmark案例发挥更好的效果，使用该案例采取了以下教学方法：
1. 按4门课程设置4个教学小组，课程任课老师任小组长，负责本门课程的6个或部分教学模块的建设。
2. 按6个教学模块确定子项目负责人，负责本教学模块的总体规划与建设，并负责与教学小组长沟通协调教学模块在相关课程中的布局以及与本教学模块的关系。
3. 在课程建设内容中选择有亮点的部分，以视频、短片、MOOC等形式展现。
该课程的教学案例建设具有以下特：
1. 最新的科研成果向教学内容、教学成果转化。飞机结构件Benchmark作为作者科研团队的成果，与教学内容有机结合，使得教学内容有着较强的行业背景，代表着行业的最新成果。
2. 飞机结构件Benchmark是对航空典型结构件进行加工特征的调研、归类、总结的基础上设计的，航空特鲜明。
3. 以4门课程、6个教学模块独立设计教学内容，既可以针对不同专业学生，不同课程进行优化选择，也可以按6个教学模块独立成一门紧密的课程，充分实现教学资源的共享。
4. 具有可扩展性。随着学科建设和课程建设的不断完善，该研究成果可辐射到相关专业的其他课程、实践教学及大学生工程训练教学中。
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