圍繞工程案例的金屬塑性成形綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

金朝陽+++嚴(yán)凱+++孫進(jìn)+++張琦

【摘要】針對(duì)工程案例中存在的實(shí)際問題，通過教師引導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，將原先分別設(shè)置的各課程單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，同時(shí)引入工程案例和計(jì)算機(jī)仿真訓(xùn)練，構(gòu)建包含三維造型與模具拆裝、物理模擬與數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增強(qiáng)了專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的靶向性，有利于學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】工程案例 綜合實(shí)驗(yàn) 模擬仿真

【基金項(xiàng)目】2017年度江蘇省、揚(yáng)州大學(xué)研究生教改課題“融合OBE和OBI的專業(yè)學(xué)位研究生技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐”（XJGLX_006）。

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）48-0244-01

一、引言

材料成型與控制專業(yè)隸屬于揚(yáng)州大學(xué)材料科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科和材料加工工程二級(jí)學(xué)科，金屬塑性成形是材料成型與控制專業(yè)的一個(gè)重要模塊，目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要包括：模具拆裝實(shí)驗(yàn)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試實(shí)驗(yàn)，板料拉伸成形工藝、圓柱自由鐓粗實(shí)驗(yàn)等，上述實(shí)驗(yàn)多為傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)“寬口徑、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，有必要在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法上對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，同時(shí)引入工程案例和計(jì)算機(jī)仿真訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生思考、探索知識(shí)的熱情，提高靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力。

二、工程案例庫(kù)建設(shè)

首先需要根據(jù)金屬塑性成形的教學(xué)要求建立工程案例庫(kù)。學(xué)生經(jīng)分組后自主選擇工程案例進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)，并在老師的引導(dǎo)下查閱資料、分析和解決工程問題。因此，典型、豐富的工程案例庫(kù)是平臺(tái)搭建的關(guān)鍵組成部分，本專業(yè)模塊的工程案例庫(kù)由學(xué)校與企業(yè)合作共建。

三、基于工程案例的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

（一）三維造型與模具拆裝相結(jié)合

本實(shí)驗(yàn)?zāi)K的先修課程是模具結(jié)構(gòu)與三維造型，以某廠家定制的汽車電動(dòng)馬達(dá)直齒圓柱齒輪為例，說明學(xué)生進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)的完整過程。直齒圓柱齒輪鍛造成形的主要技術(shù)難度包括：齒形角隅充填不良、成形載荷高和脫模困難等。為了克服上述問題，引導(dǎo)和安排學(xué)生進(jìn)行資料閱讀，提出以下模具設(shè)計(jì)方案：1）基于積極摩擦原理，提出浮動(dòng)凹模和導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)，目的是提高充型效果、降低成形載荷；2）基于約束分流原理在齒輪內(nèi)孔采用軸分流設(shè)計(jì)，目的是增加自由表面積，降低成形載荷；3）針對(duì)脫模困難且設(shè)備不具下頂桿機(jī)構(gòu)的問題，設(shè)計(jì)了鉸鏈連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫模功能。

在教學(xué)模具庫(kù)中選取合適的模具，引導(dǎo)學(xué)生完成模具拆裝實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)模具各部位結(jié)構(gòu)功能、裝配關(guān)系和動(dòng)作過程的理解。隨后根據(jù)上述模具設(shè)計(jì)思想，由學(xué)生應(yīng)用三維造型軟件，如Solidworks在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)模具各個(gè)零件的三維設(shè)計(jì)，并完成其裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。

（二）物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合

有限元（FE）方法是求解金屬塑性變形這類強(qiáng)非線性問題的強(qiáng)有力工具。隨著計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展和FE分析的廣泛應(yīng)用，有必要對(duì)本科生加強(qiáng)這方面的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。相關(guān)的先修課程包括：金屬塑性成形原理、有限元方法、金屬塑性成形工藝、材料成形過程的數(shù)值模擬等。

針對(duì)工程實(shí)例，首先將上文中所建立坯料和模具的三維造型文件以“？鄢. igs”格式由FE軟件，如Abaqus的外接接口導(dǎo)入。隨后定義材料屬性、接觸條件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本構(gòu)關(guān)系，即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是模擬所需的重要材料特性。如果本構(gòu)數(shù)據(jù)并沒有包含在FE軟件自帶的材料庫(kù)中，則可以由Gleeble物理模擬試驗(yàn)測(cè)量獲得，并通過二次開發(fā)接口輸入。然后定義工況，應(yīng)用求解器求解計(jì)算。最后，通過后處理模塊顯示和分析模擬結(jié)果。

（三）工藝優(yōu)化與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行模具受力分析和成形缺陷預(yù)測(cè)，對(duì)模具結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)提出改進(jìn)措施。應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在液壓機(jī)或伺服壓機(jī)上開展塑性成形實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)老師須首先進(jìn)行設(shè)備和操作安全檢查，隨后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模具安裝調(diào)整作業(yè)。仍以直齒圓柱齒輪為例，成形模具由上下壓板分別固定在壓力機(jī)上下工作臺(tái)上，坯料放在浮動(dòng)凹模型腔中，試驗(yàn)機(jī)上壓頭帶動(dòng)凸模與坯料接觸后，推動(dòng)凹模和坯料同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)摩擦力輔助成形。齒輪成形后，上壓板帶動(dòng)凸模上移，兩側(cè)鉸鏈連接的桿伸長(zhǎng)拉直，帶動(dòng)頂料齒輪上行實(shí)現(xiàn)脫模。比較不同工藝制備齒輪的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析其對(duì)成形質(zhì)量的影響。

四、結(jié)語

基于工程案例的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以培養(yǎng)卓越的、面向企業(yè)的應(yīng)用型技術(shù)人才為目標(biāo)，覆蓋了金屬塑性成形原理、塑性成形工藝、模具結(jié)構(gòu)與三維造型、材料成形過程數(shù)值模擬和有限元法等先修課程，一方面引入三維造型技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，加強(qiáng)仿真訓(xùn)練；另一方面積極與企業(yè)合作建立工程案例庫(kù)，所構(gòu)建的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了工程案例從問題提出、分析思考、設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)物實(shí)驗(yàn)這一整個(gè)工程問題的分析流程，將傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的被動(dòng)學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)思考的主動(dòng)學(xué)習(xí)模式，有效彌補(bǔ)課堂理論教學(xué)的不足，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力。

作者簡(jiǎn)介：

金朝陽（1973.3-），女，回族，江蘇揚(yáng)州人，博士，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，研究方向：金屬塑性成形過程數(shù)值模擬研究。endprint