强化工程意识与工程图样绘制能力的工程图学教学探讨

李雨桐， 王玉新

(中国石油大学机电学院，山东 青岛 266580)

强化工程意识与工程图样绘制能力的工程图学教学探讨

李雨桐， 王玉新

(中国石油大学机电学院，山东 青岛 266580)

结合作者在企业长期工作积累的经验，对强化工程意识与工程图样绘制能力的工程图学教学进行了探讨，通过化整为零、见缝插针的教学方式，将与工程图样绘制相关的工程实践知识作为补充内容，安插在相应的章节，以开拓知识面的形式进行介绍，然后在装配图绘制等实践教学环节中，鼓励学生将学到的工程实践知识运用到零件构型设计与工程图样绘制之中，培养学生工程图样绘制的工程背景意识，为将来绘制出符合工程实际要求的工程图奠定基础。

工程图学；教学改革；工程图样；工程意识；培养

近年来，我国高等学校工程图学教学改革形成了“百花齐放、百家争鸣”的良好学术氛围。广大图学教师以极大的热情、如火如荼地对工程制图教学改革进行了全方位、多角度地探索，提出了各自的教学改革思路和方法[1-3]，取得了有益的经验和成果。如计算机辅助教学课件的制作[4-5]、三维 CAD软件在工程制图教学中的运用等[6-12]。针对培养高素质、创新型人才的需求，王枫红等[13]探讨了工程图学的创造性构型设计教学模式，楼程富等[14]探讨了工程图学的研究性教学模式。童秉枢等[15]在总结10年来我国工程图学教学改革中的问题、认识与成果的基础上，归纳总结出工程图学课程改革的5种模式，分析了相应的案例和教改效果及特点。宋洪侠[16]在简要介绍中国首次参加世界技能机械设计CAD项目大赛的基本情况后，剖析了目前我国机械制图教学中存在的问题，提出了调整教学重点，即：注重结构设计合理化、图纸表达的标准化、尺寸及技术要求标注可测性与可加工性的深化教学改革的具体措施。余明浪[17]从企业对毕业生反应、毕业设计等多角度，分析了当前工程图学教学中存在的问题，提出“突出应用性，强调实践性，注意针对性，增强适应性”的教改思路。

工程图样是设计者表达其设计意图、实施零部件加工、检测的工程技术语言，它涉及到机械设计、互换性与技术测量、机械制造工艺等多学科领域的知识，是这些领域知识及设计经验的综合运用，实践性极强。一个设计者的工程图样绘制能力最终通过工程图样来体现。

作为工科大类技术基础课程的工程图学，一般开设在大学一年级。面对入校不久、缺少工程实践经验和专业知识的莘莘学子，如何在工程图学教学中，强化他们工程图样绘制的工程意识，初步建立符合工程规范的工程图绘制思维模式，一直是工程图学教学中一个比较困难的问题。为此，童秉枢等[15]提出了破“专职制图教师”体制模式的思想，提倡现有教师拓宽知识面，学习图学新理论和新技术，学习专业的新理论与新技术，提倡图学教师除从事教学外，还应从事科学研究或生产实践活动，改变一个人长期只教一门课的局面，以提高自身的业务素质和学术水平。

作者在工程实践经验积累和相关领域科学研究的基础上，对强化工程图样绘制能力的工程图学教学进行了探讨。

1 现代制造业对工程图样绘制的要求

现代制造业是全寿命产品开发模式[18]，包括产品的市场需求分析、概念设计、构型(configuration)设计、细化设计、制造加工与售后服务等环节。产品开发的目的在于为企业获得市场及利润。从制造全球化角度来看，现代制造业强调产品开发的创新性、制造企业的敏捷性与产品的经济性，以低成本、高可靠性的创新产品参与市场竞争，是企业赢得市场、取得良性发展的关键。

产品的创新主要在概念设计和(结构)细化设计两个阶段实施，前者主要决定产品的功能与性能，而后者则决定产品的制造成本与性能可靠性，即产品的品质。当产品的工作原理确定后，完美的结构设计则是体现产品性能、品质的主要因素，而这些因素对于吸引消费者购买力具有重要影响。因此，产品结构设计是产品创新开发的重要环节，应该从产品开发的整体角度对其认识和规划。

从产品结构合理性、性能可靠性与制造经济性的角度考虑，作为产品加工制造的工程技术语言，产品的工程图样应该满足：结构表达准确性和规范性、产品工艺及装配合理性、测试便利性等要求。

制造业全球化的发展，使得中小型企业成为零部件加工的主要承担者。尽管这些加工企业一般配有高档的数控加工设备，如加工中心等，但受劳动力成本等因素限制，很少有企业配备专职的加工工艺制定技术人员。这一特点要求，工程图样的绘制者应通过尺寸基准、重要尺寸、尺寸公差及配合、几何公差、表面结构等技术要求的标注，尽可能清楚地表达零件的加工工艺与工序，以便数控设备操作人员能按设计者的意图实施加工，并加工出符合设计要求的零件。

零库存是现代制造业的另一个特色。从制造经济性考虑，零件的结构应该基于市场可采购资源前提下进行构型设计，同时采用少去除材料加工方式，以便降低原材料的消耗和对库存资金的占用。

2 强化工程意识的教学过程

2.1 零件图的标注

零件图的标注，对于零件加工精度的保障和加工经济性有重要的影响。教学时，除讲授定形尺寸、定位尺寸、总体尺寸标注要求以及标注基本原则之外，结合典型零件，简单地介绍其在数控加工中心上的定位模式、加工顺序、尺寸测量方法等，使学生对零件图上不同功能要素的面、孔等的加工方法及次序、尺寸标注基准的选择与测量方法等工程背景依据，有一定的了解和认识。

如图1(a)所示，A面作为加工基准面，AB=20，AC=50，AD=60。若将尺寸标注为AB=20，BC=30，CD=10，当全部加工尺寸均处于公差上界0.1时，全长尺寸成了 AD=60.3，这与设计者的设计公差±0.1具有较大偏差。对轴长度尺寸如此标注的话，则会产生很大的误差。实现的功能不同，尺寸的标注方法也不同。图1(a)中，A面为与其他零件的配合面，B、C孔和D面也与其他零件相连接、配合；而图1b则只需要B、C孔距达到±0.01的要求；图1c对AB、BC、CD分别有较高的公差要求，而整体尺寸则不重要。设计者依据对尺寸的标注，实现其加工设想，如对图1(a)的尺寸标注方式，加工者就不可从D面开始按10，40，60逆序追加尺寸进行加工。

对于设计者经常采用的对称标注，如图1(d)中，孔A和孔A′会有按AB AB′= 加工之意。在孔B中线上标注20，对于孔A和孔A′来讲，其与加工基准面C的距离并不重要，重要的是孔A和孔A′的对称中心在孔B中心线上。此外，孔B距C面的距离却很重要。按图1(d)标注在加工中心上的加工顺序为：基准C→B→A(A′)→A′(A)。然而，按图1(e)进行标注时，加工顺序只有一种：C→B→(C→) A′→A。

图1 不同功能要求的相应尺寸标注(未注尺寸公差为±0.1)

在轴类零件尺寸公差合理标注方面，向学生讲解清楚轴径倾向加工偏大，而孔径易偏小的原因。由于加工者对“过切削”的担心，当加工者切削至公差范围附近时，对可在公差范围内的进刀量进行估计，然后进行加工，其后测量到尺寸位于公差带之内则加工终止。因此，孔加工到超过公差，轴加工到小于最大尺寸时则终止加工。这样，由于以孔加工到其下极限尺寸、轴加工到其上极限尺寸为目标进行加工，造成加工出的孔稍小、轴稍大。对于轴、孔加工特点的认识，有助于学生合理选取公差带，防止轴实际尺寸大于孔实际尺寸现象的发生。

由于几何公差的测量比较复杂，几何公差最好由加工中心等数控加工设备的自身精度来保证。这就要求零件在数控加工设备上的定位基准面与几何公差的基准面一致，零件上其他几何公差基准面应与零件在数控加工设备上的定位基准面有平行或垂直的关系。频繁地更改加工定位基准，将极大地增加产品在数控设备上的加工成本，且降低产品的加工精度。如图2所示，当按图中的同轴度进行标注时，如果不一次装夹同时加工出 100φ 圆柱面和圆柱面，同轴度就不能满足精度要求。两头重新装夹，则会降低精度。学生往往认为，因结构功能需要， 100φ 和 60φ 两圆柱面应该有较高的同轴度，需要标注同轴度形位公差，这是正确的思路。于是，基于这一考虑，选其中一个圆柱面作为基准，标注另一圆柱面的同轴度，以为这样两个圆柱面的同轴度就会达到要求。实际上，该零件的同轴度在加工过程中很难保证。如单件小批量生产，且两个圆柱面硬度较高时，需要添加工艺芯轴，采用磨削加工；如果两圆柱面硬度较低，则可采用切削加工方式，一次装卡，依次车削两个圆柱面，最后将其从母体材料上割断。

图2 形位公差标注

绘制零件图的目的在于指导制造者加工，必须使制造商仅凭零件图就毫无疑问地能进行加工。因此，在零件图绘制教学中，逐步培养学生在头脑中建立加工的概念，要设身处地为制造者考虑，对图中每一个面、每一条线的加工方法有一定的分析(尽管是初步的，或者甚至是错误的，但这种思维模式是有益的，通过实践知识的积累，使学生逐步步入绘制出符合工程实际的工程图样的轨道)，对实现几何公差的加工工艺和加工基准有一定的了解，使绘制的零件图尽可能地接近工程实际。不考虑加工工艺的设计，要么出现设计不能加工，要么加工成本较高，如图3所示。具体讲授时，作为知识补充，利用一张幻灯片，为学生讲授不同加工方法对应的加工精度和工时成本，为学生合理确定零件的加工面尺寸和加工精度，逐步树立加工经济性的概念，奠定知识基础。

图3 加工困难的设计

2.2 构型设计合理性原则

满足功能需求的结构创新设计，一直是机电产品创新体系中的核心问题，是决定产品性能、品质、寿命、可靠性和可维护性的重要设计环节，是现代机械创新设计的主要问题之一。

从作者近年来对本科生机械设计、现代设计、创新设计等课程的教学情况来看，学生在结构设计领域的知识和训练尚显欠缺。尽管在机械设计基础课程中有对轴系结构合理性分析的内容，在机械制造加工工艺课程中有关于铸造、加工等结构合理性的介绍，但受实际结构复杂性的制约，这些内容在处理结构设计问题时存在一定的局限性。合理的结构设计对于专业工程师也是比较困难的问题，上世纪末，吴宗泽教授的《机械设计禁忌》成为机械工业出版社发行量最大的一本书，就充分表明了结构设计的复杂性和重要性。

为使学生在构型设计时建立结构合理性的概念，在零件图结构分析章节，讲授了零件形状结构设计的约束条件，如图4所示，使学生认识到，零件的构型设计不仅与加工装配有关，而且与经济性、布局空间等有关。在此基础上，简单介绍结构设计合理性的六个原则：

(1) 力平衡原则；

(2) 力传递路径最短原则；

(3) 强度原则；

(4) 加工经济性原则；

(5) 结构合理性原则；

(6) 形状平衡与完美性原则。

图4 构型设计的约束条件

基于力平衡原则的结构，可以极大地降低零件的内应力，提高材料的利用率，降低加工成本。如图5(a)所示，将液压缸两端盖与缸体用螺栓连接后，两侧端盖液压力与螺栓拉力平衡，不会在缸体上产生轴向拉应力；短的力路径传递，可以提高零部件的结构可靠性，如图5(b)所示；强度准则是零部件结构设计最常见的一种规范，对于图6(a)所示的初始构造零件，在考虑其受力变形后成为图6(b)，需要添加辅助支撑筋板，成为如图6(c)所示的结构。

图5 力平衡结构和力路径最短结构

图6 考虑强度确定零件形状的过程

零部件加工的经济性比较复杂，提醒学生在零件的构型、标注、技术要求、材料选择等方面，应适当关注表达零件的加工工艺性，尽量少更换加工定位基准，零件的几何公差等尽量通过加工设备本身精度得到保证。在材料选择上，尽量采用市场可以购买的材料，以便降低库存，迅速组织生产。在轴类零件尺寸标注时，明确根据市场圆钢牌号系列进行最大轴径尺寸标注的原则，即在轴强度设计要求的基础上，适当添加加工余量，然后从圆钢系列尺度中选择合适的尺寸，基于此尺寸和加工余量，确定轴的最大外径。由此，降低轴类零件的加工成本，提高材料的利用率。为了降低超大平面的加工工作量，建议学生采用凸台或沉孔结构等。除此之外，让学生了解，零件的加工与设备有密切关系，当走向工作岗位进行零部件设计时，一定要对企业的加工设备、制造工艺有所了解，在参照前任工程技术人员图纸、综合分析的基础上，绘制出符合企业加工设备现状的零件图纸。

3 强化构型合理性的实践教学

结合装配图绘制教学实践环节，进行结构合理性分析教学。齿轮泵是装配图教学实践的对象之一，如图7所示。在实际教学实践过程中，首先，让学生看一下齿轮泵的工作原理和结构装配顺序的动画，了解该泵的结构组成、连接关系及工作原理。然后，讲解齿轮泵低压腔和高压腔的构成，以及由于间隙泄露沿齿轮周向由高压区向低压区的压力分布情况。在此基础上，根据结构合理性原则，对结构进行分析，寻找结构设计上的不足，启发学生采用结构合理性原则对其进行更改。在图7结构中，齿轮轴在齿轮两端都有较大的退刀槽，在齿轮轴交变应力作用下，很容易因应力集中造成疲劳断裂，导致齿轮泵失效破坏。改进的办法是去除退刀槽，在泵壳体上开圆弧倒角。

图7 齿轮泵典型的装配结构

从力平衡的角度考虑，沿齿轮周向的高压油压力分布在齿轮轴上产生一个不平衡力F，当泵的工作压力比较小时，该不平衡力对齿轮轴的磨损影响不大，所以图7所示的齿轮泵结构比较适合作为低压泵使用，结构简单，制造成本较低。但当压力较大时，不平衡力F对齿轮轴的磨损影响很大。改进的办法是：从高压腔引入液压油在作用力F的对面添加一个半圆弧液压静压支撑，以平衡F，改进结构如图8所示。改进结构减少了齿轮轴的弯曲应力和应力集中现象，以及齿轮轴与轴套之间的油膜接触应力，同时，低压端齿轮齿顶与泵体内表面的摩擦磨损情况得到改善，齿轮泵的性能、品质、寿命得到提高。

图8 齿轮泵改进结构

在构型创新设计过程中，学生可能遇到不掌握的新知识，如图8中静压轴承的设计。此时，指导教师应给予恰当的指导，且只要求学生有结构合理性分析的意识，给出合理结构的设计思路，如绘出静压槽、静压导入油路等，而不要求进行超出知识范畴的细化设计。

通过构型创新设计教学过程，学生对结构合理性分析产生了浓厚的兴趣，学生体会到构型设计是综合运用多学科知识的结果，特别是，合理的结构分析和对原有结构的改进，激发了学生对构型创新设计的积极性，强化了对学生创新意识的培养。

构型设计涉及到材料、加工、装配、产品的品质与性能可靠性等方方面面，让学生全面考虑这些因素，给出非常贴近工程实际、易于加工制造的构型方案，是比较困难的和不现实的。这里我们希望，通过构型创新设计教学实践环节，使学生了解构型设计应该遵循的基本原则，逐步培养结构合理性、制造工艺性、装配便利性、加工经济性等构型思维意识。

4 强化工程图样绘制能力的教学过程

在强化通才教育、缩减课时的大背景下，如何在不增加教学课时的前提下，提高同学们的工程图样绘制能力，一直是图学教师不断探索的课题。我们的做法是：采用化整为零、注重工程意识培养、鼓励实践应用的策略，将与工程图样绘制相关联的零部件加工工艺、材料选取、加工方法与精度等工程背景知识，作为补充内容，融入到主要教学内容之中，以开拓学生知识面的形式向大家介绍。然后，在装配图绘制与测绘实践教学环节中，鼓励学生将学到的工程实践知识运用到零件构型设计与工程图样绘制之中。具体做法如下：

(1) 在组合体及零件图标注章节，结合典型零件，讲解零件的加工定位方法，不同形体、面的加工方法，定位、定形尺寸加工方法的实现及加工精度保证等相关内容。

(2) 在标准件与常用件章节，以螺纹联接件为对象，讲授螺纹联接构型设计应考虑的问题，如图9所示，以拓展学生在构型设计时考虑问题的视野，使工程图样更符合工程实际。

(3) 以齿轮为案例，讲授齿轮在市场上已有符合国标和设计手册的半成品坯料，希望学生在小批量设计制造时应考虑首选市场半成品坯料，降低产品的开发试制成本；以轴类零件尺寸标注为案例，讲解轴径最大尺度与材料经济性及降低成本的关系，逐步使学生在头脑中建立结构制造加工经济性的概念。

图9 螺纹联接结构设计的构思浮想

(4) 在零件图技术要求标注部分，结合典型零件，讲授加工中心上零件的定位与加工顺序，特征形体定位尺寸精度的保证方法，特定形体的加工方法与加工精度关系，不同加工方法下的几何公差范围等相关内容，为学生合理确定零件的尺寸基准，定位、定形尺寸的选取，几何公差的基准选择与标注等，提供了实践知识。

(5) 在装配图教学阶段，讲授结构设计合理性原则，使学生在依据功能需求进行功能结构设计的基础上，能够有意识地从构型的合理性、经济性、性能的可靠性等角度，对构思的满足功能需求的结构进行评价、遴选。这种意识是很重要的，如果在其他课程教学实践和大学生创新实践活动中学生能够自觉运用，无疑，他们的工程图样绘制能力将会得到强化和提高。

5 建 议

提高学生的工程图样绘制能力，使学生尽可能地绘制出符合工程加工实际的图纸，对授课教师和大学一年级缺少专业知识的学生来讲，都是极大的挑战。在当今高校普遍缩减课时、高校教师忙于科研的大背景下，指望其他课程，如机械制造工艺、机械设计、互换性与测量、毕业设计等教学课程与实践环节，提高本科生工程图样绘制能力，在教学内容组织上，还存在难以操作的具体困难。另一方面，让同学们通过几十学时工程图学课程的教学，达到绘制出符合工程实际的工程图纸，是非常不现实的。

强化工程意识与工程图样绘制能力的工程图学教学，重要的是向学生传授一种工程图样绘制的工程背景理念、合理性的理念和经济性的理念，即从零部件加工制造的经济性与工艺性、结构合理性与性能可靠性等多角度考虑，对实现功能的零部件进行构型设计，考虑制造成本、加工方法以及材料来源，对零部件图样的技术要求、加工精度等进行合理标注。当这些理念一旦形成，通过机械设计、毕业设计等其他实践教学环节的进一步培养，在强化学生工程图样绘制能力方面，将会收到事半功倍的效果。

重视和强化学生工程意识与工程图样绘制能力的培养，应当适度，不应对工程图学原教学内容造成冲击。在实际教学过程中，对有关工程背景知识，宜采用化整为零的教学模式，以避免对原工程图学教学体系产生影响。对一般性工程背景知识，采用随堂讲授、及时补充的教学方式，一般控制在5 min之内；对于零件加工方法与尺度标注、零件结构设计合理性准则两项重要内容，适当增加讲授课时，但一般不超过10 min。对于由于课时不足，造成学生对有关工程背景知识印象不深的问题，可以在实践教学和习题分析等教学环节中重复、强化。对于补充的教学内容，不作为考核范围，仅用于拓宽学生的知识面，建立工程图样绘制的工程背景意识，在实践教学环节则鼓励学生应用。

6 结 论

通过将与工程图样绘制相关联的零部件加工工艺方法、材料选取、加工方法与精度等工程背景知识作为补充内容，融入到主要教学内容之中，以开拓学生知识面的形式进行介绍，使学生了解了工程图样背后的加工背景、成本背景、质量背景等因素，在工程图样绘制时，对工程背景有所考虑。通过结构合理性分析教学和实践环节应用教学，学生对结构构型创新有了浓厚的兴趣，培养和提高了学生结构创新能力。教学实践表明，采用化整为零、注重工程意识培养、鼓励实践应用的教学策略，有利于培养学生工程图样绘制的工程意识。而这种工程意识一旦建立，通过机械设计、毕业设计等其它实践教学环节的进一步培养，在强化学生工程图样绘制能力方面，将会收到事半功倍的效果。

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Exploration of Enhancing Students′ Ability of Drawing Engineering Graphics and Engineering Concepts in Engineering Graphics Teaching

Li Yutong, Wang Yuxin
(Department of Mechanical & Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China)

Based on author′s accumulated experiences in the enterprise, exploration for enhancing students′ ability of drawing engineering graphics and engineering concepts in engineering graphics teaching has been made. Through pieces of engineering knowledge and experience about engineering design, and use of every bit teaching time, the corresponding engineering knowledge for rational engineering drawing has been inserted in the corresponding sections of the teaching course in the form of expanding students′ knowledge and skill. And then in the assembly drawing design of practice teaching course, it is encouraged that students apply the learning knowledge of engineering practice to the structure design and the engineering drawing expression of parts. Consequently, the students′ consciousness considering engineering background of products while carrying out the design is cultivated gradually through the process of engineering drawings and expressions. This kind of consciousness will be helpful for students to draw out engineering graphics in according with the requirements of engineering practices.

engineering graphics; teaching reform; engineering drawing; engineering consciousness; training

TB 23

A

2095-302X(2014)05-0791-07

2013-12-29；定稿日期：2014-04-21

山东省高等学校教改立项资助项目(2009160)

李雨桐(1973–)，女，辽宁辽阳人，讲师，博士。主要研究方向为创新设计自动化。E-mail：lyt_b@aliyun.com

王玉新(1964–)，男，河北黄骅人，教授，博士生导师。主要研究方向为机电产品创新设计理论与实践研究。E-mail：strath_tj@hotmail.com