基于產品開發的創新工藝與模具設計項目教學

摘 要 新產品開發與創新是企業的生命力，而高等院校人才培養要縮短與社會需要的差距，就要走出去、請進來，讓學生更好地了解企業的新技術，培養學生創新能力。由此，教學中選用創新的稻谷殼制一次性綠色環保碗的生產為案例，實施項目式教學，生產線上操作實踐，輔以課堂上分析、討論、解剖，理解、掌握其成型工藝和模具設計的難點與創新點，有益嘗試，收到良好效果。

關鍵詞 產品開發；創新工藝與模具設計；項目教學

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）06-0094-04

Abstract New product development and innovation is the vitality of the enterprise， and higher education personnel training to shorten the gap with the social needs， to go out， please come in， let students better understand the new technology， training students innovation ability， the teaching of rice shell system selection of innovative technology， the implementation of project teaching， the production line operation practice， supplemented by the analysis， discussion， understanding， master the forming process and die design of the difficult and innovative points， is a useful attempt， received good results.

Key words product development； innovation process and die design； project teaching

1 前言

高等教育在我國越來越受到重視，近20年來，不論規模還是層次梯級建設，都得到很大的發展。但是在培養過程中，人才質量與社會需求矛盾也凸顯，如：教學方法單一，學生學習積極性和主動性調動不夠；重視書本知識的教育，忽視實踐性教學；教學內容落后于企業的生產實際，教材內容滯后于生產發展，往往是一本新教材剛編出來，一些新知識、新工藝、新方法、新產品又蜂擁而至，新知識的吸納和創新能力不夠；等等。這些都影響著人才培養的質量，使得學生難以適應社會的需要，就業難度增大。

項目式教學是一種教學體系，其項目可大可小，或含若干子項目，可用項目教學法、引導文教學法、頭腦風暴法、思維導圖法等不同的教學方法，實施時可由一個或多個教師來完成。而項目教學法就是把一個相對獨立的項目中若干個任務，在教師的指導下，將項目任務交給學習小組，學生進行信息的收集、方案的設計、項目實施及最終評價，通過自主學習，在規定的時間內獨立完成。項目教學實踐，師生在學中做、做中學，學做結合，激發學生學習的興趣和主動參與的積極性，以能力為本位，以行動為導向，以學生為中心，培養學生自主獲取信息、分析問題、制訂方案和解決問題的能力。

2 案例產品生產背景及選擇分析

《一次性綠色環保用品的制造方法》項目來源于已通過省級鑒定的應用型成果，是基于環境保護、治理“白色污染”而尋找的一種替代品，即用可完全降解的稻谷殼制作一次性綠色環保碗，替代發泡型快餐具。該產品的生產工藝與方法申請了國家發明專利，其加工設備也獲得多項實用新型專利，產品實現國內外的銷售。

稻谷殼制一次性綠色環保碗如圖1所示，產品顏色為稻谷殼本色——金黃色，有質感，美觀漂亮。

從產品圖2可知其設計尺寸，其厚度大約為1 mm，碗徑?128 ㎜，弧面為R70 ㎜，要求：弧面與碗口、底部園弧平緩過渡，外形圓滑，碗口平整無毛刺，無變形，使用安全。

從圖紙分析上看，產品的結構簡單，如用金屬或塑料材料成型，生產工藝與模具設計并不復雜，但其材料為稻谷殼——即將稻谷殼等植物纖維經過細磨成300目左右粉，摻一定比例的粘結劑、輔助劑等材料。由于其材料特殊性，加上市場上也沒有同類材料的產品，更沒有生產的工藝和裝備，因此，產品的成型工藝與模具開發具有創新性。因此，技術人員通過攻關，創新開發了《一次性綠色環保用品的制造方法》和與之配套的生產線，實現了綠色環保碗的生產與銷售。通過技術延伸開發，同時生產了以稻谷殼等為原料的相關環保產品。

在高職模具專業教學中，材料成型工藝與模具設計以塑料和金屬材料為例進行教學，而將《一次性綠色環保用品的制造方法》項目中稻谷殼制一次性綠色環保碗的生產作案例，引入課堂，以其生產工藝和模具設計為課題設置項目進行教學是一種有益嘗試。學生通過到企業參觀學習，進行生產性實習，分析、解剖和討論其生產工藝和模具設計，完成項目設置任務，了解、掌握其新工藝、新知識、新技術，能夠達到教學目標，深化教學改革。

3 項目教學設計及實施

教學目標與要求 學生在學中做、做中學，學做結合，激發學習的興趣和主動參與的積極性；以能力為本位，以行動為導向，以學生為中心，充分運用課堂上所學的基礎知識，解決生產中的實際問題，培養學生自主獲取信息、分析問題、制訂方案和解決問題的能力；吸納案例中的新工藝、新知識、新技術，培養師生的創新與開發能力。

學前要求學生具備和掌握冷沖壓和塑料成型工藝及其模具設計等基礎知識；實習企業提供必要的場地和生產機臺、工裝準備，配備一定數量的工程技術人員作為實習指導教師跟蹤指導。

教學組織與實施 一個自然班級分成若干小組，每組5～7人；每組都要完成學前準備、參觀見習、生產實習、工藝分析、模具設計和評價報告等項目學習任務；項目學習指導由學校和企業教師共同承擔，其中工廠指導教師不少于兩名，每組至少有一名教師跟蹤指導；教學課時為兩周，約60課時（具體安排見表1）。

4 教學重點與難點

產品原料為農作物的廢棄物如稻谷殼等植物纖維，開發再利用，無成熟的工藝技術和設備，開發創新成型工藝是產品上市生產的關鍵。通過技術人員艱辛努力、反復試驗，創新開發了有別于傳統的冷沖壓及塑料成型工藝的一種新的冷沖壓縮模塑成型工藝：落料、預拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序復合成型，并根據其工藝特點設計成型模具。通過實習，了解其成型工藝和模具技術具有先進性和創新性，這也是案例項目教學的重點和難點。

產品成型工藝確定 通過前情學習及分析，學生掌握了塑料成型工藝和冷沖壓成型工藝。塑料成型工藝是指在一定溫度和壓力下將塑料原料放置在特定的設備中進行熔化、塑化，通過成型機注入模具型腔中，冷卻成型取得產品的過程，有注射成型、壓縮成型、壓注成型、擠出成型、吹塑成型、發泡成型等。根據成型方法不同分為注射模、壓縮模、壓注模、擠出模頭、吹塑模和發泡模等。而冷沖壓成型工藝是指在室溫下，采用合適的模具，通過壓力機將金屬材料或非金屬材料片，沖壓分離或產生塑性變形而獲得產品的過程。沖壓工藝分分離和成形兩大部分，其中分離工序主要有沖孔、落料，成形工序主要有彎曲、拉深、整形、修邊等工序。根據工序不同，有沖孔模、落料模、彎曲模、拉深模、整形模等，這些工序可組合，從而形成單工序模、復合模和級進模。

該項目中的綠色環保碗是用細磨成粉的稻谷殼等植物纖維，摻以粘結劑、輔助劑，通過專用設備加工成質地均勻、結構緊密、表面光滑、有一定柔軟度和韌性的片，壓力機作用下加工而成，很自然可以考慮采用沖壓成型工藝。材料中含有一定的水分（約10%），有利于產品模塑成型，但產品的干燥沒有在模具中進行。一是不會出現模溫高而變色，從而保持產品的金黃色；二是克服升溫、降溫而產生的能耗，從而降低成本。因此可采用冷沖壓工藝。材料具有一定的收縮率和流動性，拉伸率很小，僅用冷沖壓工藝并不能解決所有問題，還要結合塑料壓縮模塑等工藝。通過無數次實驗，在其成型工藝中保留了沖壓成型工藝中預拉抻、落料、沖壓、切邊等基本工序，同時利用料片的收縮和流動的特點，采用塑料模塑成型中壓縮、保壓等工序，很好地解決了材料的拉伸率小、易開裂的缺點，實踐證明，成型工藝可行。最后，成型工藝確定為落料、預拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序，用冷加工方式，稱為冷沖壓縮模塑成型。

模具設計 產品生產工藝擬定后，設計其生產模具將至關重要。技術人員通過反復研究、試驗，設計一副生產用模具，如圖3所示，實現產品一次成型。其工作原理如下。

1）預拉伸：片料由人工送至托料刀圈6上，凹模8上行，凸模芯5在重力作用下最先與料片接觸送片進型腔。

2）落料：凹模上行，落料圈2與托料刀圈6耦合完成落料。

3）切邊：凹模繼續上升，碗坯料在凸模芯和托料刀圈的作用下均勻地進入型腔，當凸模4與凹模接觸偶合，切刀圈3將與凹模偶合，完成切邊。

4）成型：與此同時，凸、凹模在高壓下對碗坯料進行擠壓成型。

5）模塑：坯料在凸模、凹模、切刀圈形成的一個密閉型腔內，在強大的外力下進行保壓，坯料有拉伸、壓縮、流動。

成型過程難點解析 稻谷殼制料片在模具內成型成碗，要完成落料、預拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序，工藝復雜，其成型工藝結合了塑料成型工藝和冷沖壓工藝；用一付模具完成，模具結構復雜并且要精準，這是產品創新、生產工藝創新和模具設計的創新，是學習的重點，也是教學的難點。為了更好地掌握產品生產工藝以及產品成型與模具的關系，幫助學習和理解，將材料在模具內成型的一個工作循環的工作壓力、行程和工作時間關系如圖4所示。

根據模具結構圖和成型過程關系圖以及生產實習，了解到碗坯在模具中轉變過程如下：

1）t0—t1時段，模具進行合模，壓力小，合模速度快；t0時，送片進型腔；

2）t1—t2時段，材料進行預拉伸，凸模芯先接觸并帶動料片均勻送進型腔；t1時，模具的落料圈與托料刀圈偶合落料；t2時，切刀圈與凹模偶合切邊；

3）t2—t3時段，料片冷擠壓，碗初步成型，這時模具的位移量小，行程s與時間t呈非線性函數；沖壓力迅速上升，升至最大值后進入保壓時間；t3時，碗坯成型保壓；

4）t3—t4這段時間，碗坯成型最復雜，碗坯在高壓下擠壓，材料有流動、粘合、壓縮，模塑整形和定型；t4時，開模，卸壓；

5）t5時，成型結束時間，取出成型碗，t5成型結束完成一個工作循環。

5 教學總結與評價

項目教學中，教學總結與評價是檢查學生學習效果和能力提升的重要環節，除了評價教學常規如考勤、態度、作業等內容以外，重點是學生在項目教學中收獲和不足、各小組積極參與度，教師要與企業指導教師共同參與評價。通過學習，學生在總結與評價中收獲了生產安全知識、團隊合作精神，更收獲了新產品、新技術，提升了創新能力。

工藝創新 新產品生產中使用稻谷殼等植物纖維，為適應新材料特性且有別于塑料成型和冷沖壓成型，而創新開發一種新的冷沖壓縮模塑成型工藝：落料、預拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序一次復合成型工藝。

模具創新 根據開發的新工藝，設計適應于生產的模具，其創新點主要有：1）凸模芯起預拉伸的作用，解決了材料拉伸性能不好的特點；2）托料刀圈可以便于料片更好地、均勻地進入型腔；3）落料圈與托料刀圈、切刀圈與凹模的配合，一次復合了落料、切邊、整形等工序，減少工藝流程和模具數量，縮短成型時間；4）落料圈與托料刀圈、切刀圈與凹模的配合起定位導向的作用，減去定位、導向零件的設計和加工，簡化了模具的結構；5）采用冷沖壓、壓縮和模塑一次成型，簡化工藝流程，減少能耗，降低了成本。

6 結束語

通過對稻谷殼制一次性綠色環保碗生產案例實施項目式教學實踐，學生下企業體驗學習，分析、解剖和討論一次性綠色環保用品的制造方法、其他產品的生產工藝和模具設計，加深師生專業基礎知識的學習、鞏固與提高，圓滿完成項目教學任務。同時，學生在教學中了解企業文化，懂得團隊合作，實踐中吸納新知識、新技術，提高產品開發與創新能力，以達到教育之目的，進一步縮小他們與社會需要之間的差距，提高就業的競爭力。

參考文獻

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