金属工艺学教学设计

《金属工艺学》课程教学设计

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一、本课程的内容体系

1、 基本描述

课程名称：金属工艺学 （冷、热加工两部分） 英文名称：metalworking technology

总学时：30 （冷加工部分15学时，热加工部分15学时） 授课对象：机电学院工业设计专业 课程要求：必修 分类：技术基础课 开课时间：第二学期 先修课：金工实习

二 课程的性质、研究对象及任务

本课程是依据工科大学生的培养目标而设置的一门技术基础课。它既是对机械类专科生进行现代制造方法和工艺技术教育的一个重要环节，又是对他们进行的第一次工程实践训练，同时也是大学阶段唯一一次较系统的工艺训练。

本课程的特点是实践性和综合性较强。随着工程领域内新材料、新技术、新工艺的不断涌现，金工课程的内容也越来越丰富，课程体系也正在发生重大变化。管理类专业关于机械加工和金属材料方面的工艺课时已大为缩减，这样就使《金属工艺学》 在机械和材料工程课程中的工艺教育方面显得尤为突出，尤其是对于管理专业的学生。在淡化专业教育方面，该课程也起着重要作用。

对于管理类的专科生，他们冷加工方面的课程学时比重较大，而热加工学时相对较少。因此，《金属工艺学》所讲授的金属加工工艺方面的知识就显得更加重要。通过本课程的学习，能够使学生掌握金属结构、金属工艺性能、金属材料、铸造、锻压及焊接方面的基本知识。此外，还可以使学生掌握一种融会贯通的能力，深刻理解各加工工艺方法之间的本质联系。

三 教材的选择与分析

。本课程公开出版的教材有许多种。比较适合我校非机、近机类专科生使用的教材常用的有以下几种：

1 邓文英编，金属工艺学，高等教育出版社，1991。

2 邢忠文、张学仁主编，金属工艺学，哈尔滨工业大学出版社，2003。 3 苏芳庭，金属工艺学（机械类各专业用），高等教育出版社，1990、11。 4 骆志斌，金属工艺学（非机械类专业），东南大学出版社，1994、11。

由邓文英编写的教材1是全国金工行业的经典教材，曾经多次再版及多次印刷，1998.8第十一次印刷时，累计印刷数量已达50万册。是获国家教委优秀教材二等奖的优秀教材。该书系统地介绍了金属材料的性质及铸造、锻压、焊接及切削加工的实质、特点、工艺过程和合理地进行零件结构设计的工艺原则。对有关制造的新工艺、新方法也做了简要介绍。该书不失为金工行业的经典教材。但该书有两方面的原因没有被我校选为授课教材：（1）该书最后一版（第三版）是1991.3出版的，至今无新版推出。在内容上显得有些陈旧，虽然近两年推出了简写版，但只是在内容上做了较大的删减，一些近年来进入工程领域的实用新技术没有包括在内。（2）由于该书为金工领域的经典教材，所以印

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刷次数极多，甚至还有一些是盗版印刷。所以最近几年印刷的该书错误很多，这样容易在教学过程中误导学生。

教材3、4属于非、近机类教材，而且内容也比较广泛，主要包括：钢铁生产、金属材料及热处理、铸造、锻压、焊接、公差与配合、金属切削加工、特种加工、钳工与装配等。其中还包括一些相关的新工艺、新技术。但这几种教材的内容都比较多，一般需要70-90学时，不适合我专本科生30学时的教学，可以作为正常教学中的辅助教材使用。

教材2是我教研室全体参与编写的新教材，内容包括冷、热加工两部分。该教材充分考虑了以上各教材的优缺点，并考虑了我校学生的具体情况。第一版为1999年出版，已在实际教学中应用了3年，效果较好。2003年在原版基础上作了适当的修订，并增加了一些最新技术及科研成果。该书作为我校非机、近机类专科生的金属工艺学教材较为合适。

四 本课程各章的主要内容与基本要求、重点与难点、学时分配

上编共15学时

第一章 金属结构1学时

第二章 金属的工艺性能 1学时 第三章 金属材料的改性方法 1学时 第四章 铸造 4学时 第五章 塑性加工 4学时 第六章 焊接 4学时 下编共15学时

第七章 金属切削加工基础（6学时） 第八章 外圆、内孔、平面加工（2学时） 第九章 螺纹和齿形加工（自学） 第十章 精密加工（2学时）

第十一章 特种加工（2学时）

第十二章 机械加工工艺规程的制定（1学时）

第十三章 零件结构工艺性（2学时） 第十四章 数控加工（自学）

五、 教学环节

上编

第一章 金属结构（1学时）

重点与难点：本章主要是了解金属结构及其和性能之间的关系。重点是掌握金属的同素异构转变和铁碳合金，难点是铁碳合金状态图。 讲课艺术：

1、首先向学生提出问题：如果把纯铁丝从1000。C冷却到室温，铁丝会变长还是短？从“铁丝变长”这一答案引入金属同素异构概念，并根据纯铁的例子详细讲解，并逐步引入合金的概念。

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2、借助多媒体课件中的动画讲解Fe-Fe3C状态图的建立方法，状态图的点、线含义及各部分组织，并选择一种合金进行分析。（见下图）

第二章 金属的工艺性能（1学时）

重点与难点：本章主要了解金属在加热、冷却时的组织变化，重点掌握金属塑性变形中的组织及性能变化，金属的铸造性、可锻性和焊接性概念。难点是掌握影响金属工艺性能的因素。 讲课艺术：

1、举例分析：① 焊接接头的加热过程；② 铸件的冷却过程；（见下图）说明非平衡加热和冷却对材料组织及性能有影响，也使学生理解了在加工过程中常见的加热及冷却都是非平衡状态。

2、向学生提出问题：为什么铁丝能在反复弯曲后而折断？从而引入加工硬化概念，再借助动画讲解金属塑性变形机理（主要是位错），用拉地毯和推滚地毯哪个省劲这样生动现实的例子使学生对位错滑移有深刻的印象。（见下图）

3、讲述金属铸造性，金属的可锻性，金属的焊接性的概念，分析影响因素，让学生通过分

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析总结得出改进提高性能的措施。

第三章 金属材料的改性方法（1学时）

重点与难点：本章主要了解整体热处理、表面热处理、表面喷涂的常用方法，重点是掌握退火、正火、淬火和回火方法。难点是几种热处理方法的应用。

讲课艺术：本章采用学导式教学，先提出问题，让学生带着问题看书，然后回答，老师做概括总。如下图，退火问题的提出、概括总结。

第四章 铸造（4学时）

重点与难点：本章主要了解铸造工艺规程的制定步骤，使学生具有初步分析铸造结构工艺性的能力，重点掌握各种铸造方法的基本原理、特点和应用。难点是铸造方法的选择。 讲课艺术：

1、借助图片逐条详细地讲解铸造工艺规程的制定原则。列举典型零件，（见下图）引导学生分析铸造时浇注位置和分型面以及模样的形状、大小的选择。

2、借助动画讲解各种铸造方法原理，在此基础上，介绍其主要特点和应用，然后，让同学对各种方法进行比较。如压力铸造，先让学生观看压力铸造原理的两个动画（见下图），分析压铸特点，然后再观看压铸实际生产过程的录像，提出录像中是何种压铸方式？工人的某些操作是

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什么目的？这样经过理论——实际——理论，加深了学生对这种铸造方法的了解。

第五章 塑性加工（4学时）

重点与难点：本章主要了解自由锻和模锻的工艺设计步骤，塑性加工件（自由锻件、模锻件、冲压件）的结构设计要求。重点掌握自由锻、模锻、冲压、轧制、挤压、拉拔等塑性加工方法的工作原理、特点及应用。难点是冲压工序之间的区别。 讲课艺术：

1、在复习自由锻的基础上，提出问题：模锻与自由锻的主要差异？从而引入锻模结构的讲解。再通过录像观看实际生产中锻模的结构和应用。（见下图）

2、提出问题：1、什么是冲压？ 2、冲压用的原材料是什么？3、冲压属于热变形吗？在回答问题后引出冲压的特点、应用。详细讲解冲压的基本工序，分析工序之间的区别和联系，启发学生思考如：冲裁和剪切，冲裁模和拉深模，拉深系数和锻造比等异同。

第六章 焊接（4学时）

重点与难点：本章主要了解各种焊接方法的工艺过程，初步分析焊接结构工艺性。重点掌握电弧焊、电阻焊、钎焊工艺特点，电弧焊的缺陷及防止措施。难点为焊接应力及变形的分析。 讲课艺术：

1、在复习焊条电弧焊方法基础上，讲解电弧焊的另外几种方法，注意对比讲解，找出各种方法的区别和应用特点。如焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊保护方法的区别，等离子弧焊的电弧和焊条电弧焊焊接电弧的差别，产生方法等。使学生了解电弧焊各种方法之间的区别与联系。

2、讲解钎焊时可以借助刀具焊接的录像，料、溶剂、钎焊焊前准备、焊接顺序、焊后处知识一一讲解，避免了枯燥的叙述。（见右图）

3、通过让学生总结的方法使之对焊接方法

有一把钎理等

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定的认知，通常可让学生自己完成下表： 焊接方法 类别 主要特征 应用范围

下编

第七章 金属切削加工基础

重点及难点：这一章是金属工艺学冷加工部分的重点章节，内容涉及比较广泛，主要讲授冷加工工艺的一些基本概念和基本原理。重点内容包括：刀具角度、刀具材料、积屑瘤、相对切削加工性、六点定位原理及车床传动原理等几个部分，难点内容包括：刀具角度和车床传动两个部分。下面对既是重点、又是难点的两个部分详细说明教学设计的内容。

讲课艺术：

1． 刀具角度部分

这部分内容既是重点、又是难点，由于管理类专业的学生机械基础课程学习较少，机械制图和识图的能力相对较差，所以对于以平面图形表示的三维不规则形状的刀具实体理解起来比较困难。因此，在这部分内容的讲解上，着重在下面三个方面进行了加强。

（1）结合实物模型讲解。教研室有塑料做的车刀实体模型（见下图），在讲课时教师手拿实体模型和黑板上的平面图形对比讲解，这样就能把学生难理解的平面图形和实物很直观地联系在一起，把复杂的东西简单化。

（2）用多媒体辅助教学。“金属工艺学”这门课已全部采用了多媒体辅助教学，这就为动画或录象的应用创造了方便条件。因为刀具角度要涉及加工工件的三个表面：已加工表面、加工表面和待加工表面，而这三个表面的区分又和具体的加工工艺紧密相连。虽然学生在上金属工艺课前已进行了金工实习，但由于种种原因，能清晰牢记具体工艺的学生寥寥无几。在分析刀具角度时，用多媒体先放几个典型车削工艺的录象片段，如车端面、车外圆、切断（见下图）等。这样看过一遍后，学生就能把具体工艺回想起来并牢牢地记在脑中，这就为分析刀具角度奠定了必要的基础。

（3）随堂练习巩固学习效果。对于刀具角度这部分重点加难点的内容，课上给出10分钟左右的时

间当堂做练习，这样学生可有时间对重点加难点的知识进行必要的记忆和巩固，教师也可以利用这段时间走到每个学生身边，面对面地给学生解释做练习时遇到的难题。实践表明，随堂练习并当堂答疑的效果非常好。

2． 车床传动原理部分

这部分和刀具角度部分一样，既是重点又是难点。车床是金属切削加工最常用、也是最典型的一

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种设备，学生必须掌握它的基本原理。但相对于机械基础较差的的管理类学生而言，直接按教材讲解会给大多数学生带来理解上的困难。对这部分内容的讲解，本人采取了下面几个做法： （1）补充教材中没有的必要机械基本知识。从最基本的两个齿轮传动（见下图）讲起。设主动N1 2。则齿轮1单位时间内转过啮合点的齿数齿轮齿数为Z1，转速为N1；从动齿轮齿数为Z2，转速为NN1?z1，齿轮2为N2?z2。两齿轮啮合时有

整理得 N2?N1z1?N2z2，

N2 Z1 Z2 z1N1 z2上式为从动齿轮转速N2的计算公式。从一对齿轮对齿轮啮合可得第n个齿轮的转速公式：

啮合进一步扩展到n

Nn?ZZ1Z3???2n?1?N1 Z2Z4Z2n有了上面的转速计算公式，对机床传动最大或最小转速计算就比较容易理解了。

（2）补充讲解三种变速机构。为了使学生能容易理解机床传动原理，先从简单的变速机构讲起，依次补充讲解了滑移齿轮变速机构、离合器齿轮变速机构和交换齿轮变速机构。

（3）随堂练习增强记忆。和刀具角度部分一样，对于这部分重点加难点的内容，课上给出10分钟的随堂练习。 3、 其它部分

对于那些非难点的重点内容，也要适当注意讲授方法。如“积屑瘤”的讲解，就采用了简单动画方式。因为积屑瘤的形成是个动态的过程，因此动画讲解最为简单明了，如下图所示。

无积屑瘤 有积屑瘤

第八章 外圆、内孔、平面加工

重点及难点：这一章重点内容包括：外圆车削、车床上工件安装方法、外圆磨削、钻孔、磨孔、平面铣削等几个部分，难点内容包括：钻孔和平面铣削两个部分，补充讲解车床上工件的安装方法。 讲课艺术： 1、 钻孔部分

钻孔工艺是金属切削加工中应用最为广泛的加工工艺，但钻孔的刀具—麻花钻头的形状却很复杂，尤其是和车刀相比。因此，麻花钻头这个切削刀具其刀具角度和车刀相差很大，如它有两个刀尖、两个主切削刃及两个负切削刃，还多出一个横刃。如何识别出刀具七要素是问题的关键，课堂教学中着重从下面几个方面入手提高教学效果：

（1）以实物模型为主讲解。在讲解车刀角度时采用以黑板平面

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图形为主，实物模型为辅的讲法，但钻头讲解是主要以实物模型为主（见右图）。因为麻花钻头的几个刀刃和刀面都是空间曲线和曲面，教材中的平面图形对管理类学生而言几近天书，所以只能以实物模型为主。

（2）以准确的定义去分析。由于车刀形状比较简单，刀刃和刀面的定义很容易直观看出，所以很多同学忽视了刀刃和刀面的基本定义，仅凭直观感觉去辨认。但麻花钻头形状十分复杂，仅凭直观感觉去辨认经常会出错，只有严格按照刀刃或刀面的基本定义才能正确识别出这刀具的基本要素。讲解这部分内容时，要注意引导学生准确记忆、理解和使用基本概念和基本定义。 2、 平面铣削部分

铣削部分的内容比较多而杂，逻辑性不强。因此，在讲授这部分内容时，本人主要采用归纳和对比的方法，使学生容易理解和记忆不同铣削工艺之间的差异。如下表就是采用对比的方式对顺、逆铣两种工艺的差异进行的总结。 3、 展开讲解“车床上工件安装方

法”

车床上的安装方法非常重要，因为一个工件如果安装方法不正确，即使车床有再高的精度，也加工不出合格的工件。甚至车床加工精度越高，对于采用错误方法安装的工件而言，其公差将会越大。因此决不能忽视车床上工件的安装方法。但由于篇幅所限，教材中这部分内容相对较少，因此在讲课时本人有意补充和扩展这部分内容。共归纳和整理5种车床上工件的安装方法：三爪卡盘安装圆形工件、四爪卡盘安装不规则工件、前后顶尖安装长轴类实心工件、芯轴安装空心类工件及花盘安装不规则工件。

第九章 螺纹和齿形加工

由于学时有限，不可能把教材中的所有内容都在课堂上讲解。可以把因为学时限制没时间讲解，

而这部分内容又比较重要、不能舍弃的章节留给学生自学。 自学中要求同学掌握以下几个问题：（1）螺纹加工的最基本方法有几种？（2）铣齿工艺有哪些特点？（3）齿形精加工方法有哪几种？

第十章 精密加工

重点及难点：这一章重点内容包括：研磨、珩磨、挤压珩磨、高速精车等，难点内容为高速精车，补充讲解抛光加工。

讲课艺术：

1、 高速精车部分

高速精车的尺寸精度可以高于0.1μm，但实现高速精车的条件却十分困难。不但要求用金刚石的车刀，还要求车床应满足下面苛刻的条件：

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逐条详细地讲解高速精车应满足的条件，使同学了解实现超高精密加工的困难。 2、 补充抛光部分

由于成本低廉，抛光已成为我国应用最广的一种精密加工工艺。补充讲解教材中没有的这部分内容。右图为抛光机示意图。

第十一章 特种加工（2学时）

重点及难点：这一章重点内容包括：电火花加工、线切割加工、电解加工、激光加工等，难点内容为电火花加工，补充讲解水射流加工。 讲课艺术： 1、 电火花部分

电火花加工工艺是三维型腔加工重要的加工方法，对于一些硬度非常高的合金钢而言，如锻造模具等，电火花加工工艺几乎是唯一的加工方法。但它的加工原理和传统的刀具切削加工原理有很大差异，因此同学在理解上有较大的困难。本人在下面两个方面加强了讲授技巧，以提高学生的听课效果。

（1）以熟悉的生活实例说明原理。火花放电现象在生活中无所不在，如闪电、闸刀开关、静电火花等。其中闪电学生最熟悉，印象也最深。所以，电火花加工的原理就从闪电讲起。阴天时，高空中的云层电子数量随云的数量增加而越来越多，带负电的云层就和地面形成一个电势差；当这个电势差达到一个很大的数值时，云层和地面之间的空气被高电压所击穿，空气由绝缘体变成了导体，并且有大量的电流流过空气导体；过大的电流强度使空气导体燃烧，因此就形成了闪电；闪电的温度可高达近万度，足以融化地面上的一切物体，包括金属。电火花加工金属就是这个道理，火花放电形成的高温可以融化金属。通过闪电这个学生们非常熟悉的例子，电火花加工的原理就很容易让学生理解和记忆。

（2）用多媒体播放透明绝缘介质电火花加工过程的录象（见右图），使学生可以清楚地看到电极和工件之间的火花放电现象。在生产现场看到的液体绝缘介质经常是浑浊不清甚至是黑的，根本看不到液体绝缘介质下面的情况。

2、 补充水射流加工部分

水射流加工工艺是国际上比较新的

加工工艺，在我

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国还没有普及应用。补充一些国内外水射流加工工艺的例子，如水射流切割、水射流车床、水射流清洗等，让学生了解一些最新的先进工艺。

第十二章 机械加工工艺规程的制定（自学） 第十三章 零件结构工艺性（2学时）

这一章重点内容包括：便于装夹的工艺例子、便于加工的工艺例、采用零件组合工艺例及便于装配的工艺例子等，难点内容为便于测量的工艺例和有正确装配基面的工艺例，补充讲解作业本上的这部分习题。

六 信息交流，教学相长

1．编写《金属工艺学》课程学习指南，其中有所用教材、教学环节、考核办法等有关规定，教学日历、教学内容、基本要求及重点与难点；设计训练环节及内容。开学时就发给每位同学，使学生一开始学习就知道“学什么”、“为什么要学”、“怎样学”和怎样考核，调动学生的学习主动性和积极性。

2．教师通过讲评作业，肯定学生在知识、能力诸方面的进步，指出学习中存在问题，并提出希望与要求，引导学生端正学习态度，掌握正确的学习方法。

3．通过定期（一学期至少三次）召开学生座谈会或问卷调查，认真听取学生对教学工作的反映，了解学生在想什么，有什么要求。教师要有的放矢地改进教学。

七、考核办法

1、 考题设计

金属工艺学考题形式基本上分成七种类型：解释概念、填空、简答、计算题、制定加工工艺，解释典型加工工艺原理，改正工艺错误。

解释概念：这类题目考察学生对一些重要概念的理解程度。学生可以不用死记硬背，只要答对关键的概念，甚至可以用自己的语言解释。

计算题：主要考察学生对一些重要计算公式的理解程度。不但要求学生能熟练掌握相应的公式，而且还要求学生能灵活地运用该公式解决实际工程问题。

制定加工工艺：对于工程上最典型零件，要求学生能熟练地制定出冷加工工艺。

解释典型加工工艺原理：对一些常用加工工艺，要求学生能熟练掌握其工作原理。 2、 成绩评定

学生考试成绩的评定方法，对学生的学习积极性影响很大。科学合理的评定方法能促进学生的学习。金属工艺学成绩评定采用

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累加式记分方法。主要分成三部分成绩累加： （1） 平时和实验成绩占20%。考虑平时的听课出勤率、作业成绩、实验成绩三个方面。 （2） 期中考试成绩占10%。期中考试采用随堂考试形式，在重要章节讲完后进行阶段

测验。

（3） 期末考试成绩占70%。采用专用教室闭卷笔试的形式考核。

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累加式记分方法。主要分成三部分成绩累加： （1） 平时和实验成绩占20%。考虑平时的听课出勤率、作业成绩、实验成绩三个方面。 （2） 期中考试成绩占10%。期中考试采用随堂考试形式，在重要章节讲完后进行阶段

测验。

（3） 期末考试成绩占70%。采用专用教室闭卷笔试的形式考核。

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