側(cè)重專業(yè)方向的CDIO課程實踐

摘? 要 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院率先嘗試寬口徑通才教育模式，十余年探索表明，仍需要有深入的專業(yè)方向背景，并先后進(jìn)行專業(yè)模塊系類課程、帶有專業(yè)背景的實踐課程的選修以強(qiáng)化專業(yè)背景的改革與實踐。在降課時、減學(xué)分背景下，通過簡短細(xì)分專業(yè)方向基本理論導(dǎo)入結(jié)合多樣性、專業(yè)性項目設(shè)計實踐，側(cè)重于專業(yè)方向的CDIO課程實踐能夠很好地承擔(dān)這一任務(wù)。以模具設(shè)計與制造工藝課程為例，介紹西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在這一方面的實踐與探索。

關(guān)鍵詞 CDIO;機(jī)械工程;材料成形;模具設(shè)計與制造工藝

中圖分類號：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0079-04

Practice Course of CDIO Focusing on Specialty Field//ZHANG Dawei

Abstract It needs an in-depth knowledge of specialist background under a generalist education mode with a wide aperture specialty. Practice course of CDIO focusing on specialty field can provides the

in-depth specialist knowledge. During the practice， the fundamentals of specialty field is briefly introduced， and then it connects with mul-

tiple and professional CDIO program. Taking the course of Die Design and Manufacturing as example， this paper presents the prac-

tice and exploration in this aspect from School of Mechanical Engi-neering， Xian Jiaotong University.

Key words CDIO; mechanical engineering; materials processing; die design and manufacturing

1 引言

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）教學(xué)模式的開發(fā)始于美國和瑞典的四所大學(xué)，并于2004年正式定型推廣[1]。我國于2005年開始進(jìn)行CDIO教育模式的研究與實施，并結(jié)合實際情況、辦學(xué)層次、專業(yè)需求形成如EIP-CDIO等多種各具特色的CDIO教育模式[2-6]。目前CDIO已經(jīng)成為國內(nèi)外工程教育的主流模式[7-10]，并有從本科教育向研究生教育拓展的趨勢[11]。西安交通大學(xué)在本科教育改革中也逐漸形成以“CDIO培養(yǎng)模式+工程教育認(rèn)證”的工科專業(yè)培養(yǎng)模式[12]。

西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院于1994年率先嘗試寬口徑專業(yè)教育模式并取得一定成果[13]。由于專業(yè)背景弱化也給直接就業(yè)學(xué)生帶來專業(yè)崗位適用期長等問題，從2010年起增加了具有專業(yè)背景的模塊（由系列專業(yè)課程構(gòu)成）選修學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上嘗試在實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行CDIO訓(xùn)練，開設(shè)“模具設(shè)計與制造工藝”等六門集中實踐課程，學(xué)生任選一門以團(tuán)隊形式進(jìn)行。在2015版培養(yǎng)方案調(diào)整中，這種模塊化的實踐課程形式得以保留，并獨(dú)自承擔(dān)寬口徑通才教育下強(qiáng)化“窄口徑”專業(yè)背景的作用。

由于實踐項目的開放性，上述六門課程項目設(shè)計、實施過程不盡相同;即使同一門課程中，不同團(tuán)隊根據(jù)實際項目和指導(dǎo)教師的差異，也表現(xiàn)出多樣性。本文以“模具設(shè)計與制造工藝”課程為例，結(jié)合筆者近年指導(dǎo)經(jīng)驗，介紹開展側(cè)重專業(yè)方向的CDIO實踐的探索。

2 “模具設(shè)計與制造工藝”課程簡介

“模具設(shè)計與制造工藝”是西安交通大學(xué)機(jī)械類專業(yè)的一門集中實踐課程，主要任務(wù)是通過課堂教學(xué)、課內(nèi)實驗教學(xué)等環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識以及模具設(shè)計與制造的應(yīng)用能力，使學(xué)生掌握模具設(shè)計與制造的基本知識和基本方法，具有基本的模具設(shè)計能力，以及對模具設(shè)計與制造工藝問題進(jìn)行分析、求解和論證的能力，以適應(yīng)市場對該領(lǐng)域高級工程技術(shù)人才的需求。課程主要有三個目標(biāo)。

目標(biāo)1：掌握模具設(shè)計的基礎(chǔ)知識和基本方法，通過文獻(xiàn)分析，研究模具設(shè)計主要參數(shù)對成形零件的影響規(guī)律;對成形復(fù)雜零件過程中所涉及的物理現(xiàn)象、材料特性進(jìn)行實驗驗證。主要通過課堂集中講授（八學(xué)時）實現(xiàn)，并在分組項目實施中得以運(yùn)用和鞏固。

目標(biāo)2：通過調(diào)研，提出特定需求的成形零件，給出多種成形解決方案，對方案進(jìn)行分析、論證，確定合理的模具設(shè)計解決方案;能夠根據(jù)模具設(shè)計解決方案，進(jìn)行模具設(shè)計計算與優(yōu)化，完成成形零件的整體模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，提交模具計算說明書和工程圖紙。

目標(biāo)3：具有職業(yè)規(guī)范和團(tuán)隊合作意識，配合團(tuán)隊項目的實施，調(diào)整和完成進(jìn)度計劃和個人任務(wù)，合理進(jìn)行項目的任務(wù)分解和計劃實施，具備團(tuán)隊組織管理能力和項目管理能力，能夠通過小組討論、匯報、答辯等形式，進(jìn)行有效溝通。

后兩個目標(biāo)主要是在分組項目實施中實現(xiàn)。

整個課程計劃進(jìn)度如表1所示。課程內(nèi)容分為專業(yè)知識理論部分和實踐部分。在實踐階段，圍繞項目以團(tuán)隊形式開展。每一項目小組由五名左右學(xué)生組成，每一位教師負(fù)責(zé)1～2個小組的指導(dǎo)工作。每一個小組自由選題，項目組成員共同確定項目內(nèi)容。一般來說，每一個小組的項目均不相同。

每一個小組學(xué)生自行推薦一名負(fù)責(zé)人，合理進(jìn)行項目的任務(wù)分解和計劃實施，通過團(tuán)隊分工合作，調(diào)整和完成進(jìn)度計劃和個人任務(wù)，實施過程中通過小組討論、匯報等形式進(jìn)行有效溝通。在項目進(jìn)展中后期，根據(jù)進(jìn)展情況，指導(dǎo)教師推薦，經(jīng)評審選取20%～30%的項目進(jìn)行模具實物加工。最終以答辯形式，答辯評審教師從項目調(diào)研與結(jié)論的有效性，解決方案的合理性與有效性、創(chuàng)新性，項目管理，項目執(zhí)行報告與現(xiàn)場答辯情況等方面對項目給出評分，其平均分構(gòu)成學(xué)生最終成績的70%左右。指導(dǎo)教師根據(jù)項目組成員平時匯報、交流、承擔(dān)任務(wù)完成等實際情況分別給出個人成績，其構(gòu)成學(xué)生最終成績的30%左右。

3 CDIO項目實施設(shè)計

在專業(yè)知識基礎(chǔ)講授、總結(jié)報告、工程圖紙與項目答辯等方面制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與要求，而具體項目的選題、實施等方面存在很大的開放性，賦予學(xué)生和指導(dǎo)教師較大的自由度。不同指導(dǎo)教師甚至同一指導(dǎo)教師下的不同項目組之間都表現(xiàn)出巨大的差異性，筆者在四屆（2010級、2013—2015級）六組學(xué)生的指導(dǎo)過程中也不斷進(jìn)行微調(diào)和改進(jìn)。

由于課程內(nèi)時間條件和其他條件限制，筆者對文獻(xiàn)[1]中所提供的構(gòu)思—設(shè)計—實施—運(yùn)行四個階段的主要內(nèi)容進(jìn)行篩選，選定可實施的內(nèi)容：“構(gòu)思”中的需求、技術(shù)，“設(shè)計”中的系統(tǒng)分析、元件設(shè)計、失效和預(yù)案分析、確認(rèn)設(shè)計，“實施”中的硬件制造、系統(tǒng)整合、改進(jìn)。根據(jù)所選定的不同階段的實施內(nèi)容，結(jié)合材料成形工藝及模具設(shè)計實際，筆者分別在構(gòu)思—設(shè)計—實施階段確定如表2所示內(nèi)容以指導(dǎo)學(xué)生按要求開展工作。表2中加粗部分內(nèi)容是必須進(jìn)行的，其余部分根據(jù)實際情況確定。其中“構(gòu)思”部分的“文獻(xiàn)檢索”主要是產(chǎn)品制造（成形）工藝、模具結(jié)構(gòu)等技術(shù)部分內(nèi)容。

誠如文獻(xiàn)[1]中對所列CDIO四階段內(nèi)容所指出的“并沒有按照順序列出內(nèi)容”“在產(chǎn)品研發(fā)工作中需要對這些任務(wù)進(jìn)行大量的迭代”那樣，具體指導(dǎo)實施過程的路線如圖1所示。在實施過程中，1～2周進(jìn)行一次小組任務(wù)進(jìn)度匯報，和指導(dǎo)教師進(jìn)行討論，團(tuán)隊所有成員出席。平時小組內(nèi)部根據(jù)實際情況，部分或全體開展討論與溝通。根據(jù)實際需求，個別成員或負(fù)責(zé)子任務(wù)的成員（們）隨時可聯(lián)系指導(dǎo)教師，匯報、溝通、尋求指導(dǎo)。

對所指導(dǎo)的學(xué)生簡介CDIO，并對實驗場所能夠用于工藝實驗的設(shè)備的原理、適用范圍進(jìn)行簡單介紹，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合設(shè)備考慮工藝的選定、模具的設(shè)計。可支持后期物理模具試模及工藝實驗的設(shè)備有160噸摩擦壓力機(jī)、500噸液壓機(jī)、160噸多向液壓擠壓機(jī)、160噸伺服壓力機(jī)、63噸伺服壓力機(jī)、10噸材料試驗機(jī)、單點(diǎn)漸進(jìn)成形實驗平臺、全自動注塑機(jī)、小型壓鑄機(jī)等。同時介紹已有模具實物結(jié)構(gòu)（包括之前的課程項目加工制造的模具），加深直觀認(rèn)識。特別是以前課程項目優(yōu)秀成果能夠激發(fā)學(xué)生開展工作的動力。

上述工作在和分組后學(xué)生第一次見面時進(jìn)行。隨后1～2周時間內(nèi)，學(xué)生完成市場調(diào)研、確定目標(biāo)零件等工作，這部分內(nèi)容將成為項目背景意義的組成部分。

然后完成小組內(nèi)的任務(wù)分工，按任務(wù)并行或順序進(jìn)行。根據(jù)理論、經(jīng)驗、手冊進(jìn)行工藝路線和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后采用數(shù)值分析方法虛擬實現(xiàn)工藝過程，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果改進(jìn)、優(yōu)化工藝路線和模具結(jié)構(gòu)。這一部分內(nèi)容或項目實施階段是重點(diǎn)，特別需要關(guān)注——它是不可缺少的重要環(huán)節(jié)，是師生交流互動最多、最需要加強(qiáng)指導(dǎo)的階段，是綜合能力培養(yǎng)提升之所在。

為了便于項目在有限的時間順利實施，針對具體情況可對目標(biāo)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和再設(shè)計，對工藝路線進(jìn)行簡化，縮短加工流程;對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，盡可能采用簡單模。這些工作將在下一節(jié)實例中根據(jù)具體情況介紹實施情況。

由于設(shè)計質(zhì)量和經(jīng)費(fèi)限制，只有少部分小組能夠進(jìn)行加工制造。但不論是否進(jìn)行模具實物加工制造，都會要求對加工過程進(jìn)行評估和預(yù)算，包括標(biāo)準(zhǔn)件選用及報價、工作零件以及其他非零件的材料選擇、加工詢價等。若所設(shè)計模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工前會對模具進(jìn)行簡化和重構(gòu)。

4 CDIO實踐案例

上述項目實施流程在實施過程不同階段，針對具體情況，執(zhí)行情況也是不同。在有限元分析階段主要提供技術(shù)支持，對軟件使用、仿真建模、結(jié)果分析提供建議、幫助、指導(dǎo)。若項目進(jìn)入模具加工制造階段，協(xié)助聯(lián)系加工制造。在項目實施的核心階段要加強(qiáng)干預(yù)和指導(dǎo)，特別是工藝流程、模具結(jié)構(gòu)的確定。本節(jié)主要在目標(biāo)零件、工藝流程、模具結(jié)構(gòu)三個方面結(jié)合實例介紹實施情況。

目標(biāo)零件? 學(xué)生在市場調(diào)研和目標(biāo)零件選取方面完全發(fā)揮主動性，但是在選定目標(biāo)零件后在具體的結(jié)構(gòu)尺寸上需要一定的干預(yù)。一般為了降低成形工藝分析及建模仿真的難度、簡化模具結(jié)構(gòu)、便于模具加工及工藝實施、縮短項目周期，會對零件再設(shè)計，簡化細(xì)節(jié)，僅保留主體結(jié)構(gòu)。此時要求對重新設(shè)計目標(biāo)零件進(jìn)行靜力分析、校核強(qiáng)度。

如“啤酒瓶開瓶器沖壓模具設(shè)計”項目中，首先對開瓶器的幾何模型進(jìn)行簡化，如圖2a所示;并通過采用有限元法進(jìn)行工作狀態(tài)時的靜力分析，如圖2b和圖2c所示，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)如厚度等幾何參數(shù)，確定目標(biāo)零件幾何模型;然后進(jìn)行沖裁工藝、沖裁模具的設(shè)計。

工藝流程? 參照手冊、經(jīng)驗和類似的工藝流程，運(yùn)用所學(xué)的知識選擇目標(biāo)零件成形方法、設(shè)計工藝方案。此時的工藝方案可能是多道次，流程較長，需要多套模具成形。這增加了模具設(shè)計周期和制造成本，這種情況下一般會簡化工藝、縮短流程，只進(jìn)行一套模具設(shè)計與對應(yīng)的成形過程分析。

如“換熱器襯套沖壓模具設(shè)計”中的板式換熱器金屬襯環(huán)（如圖3a所示），采用落料—拉深—沖孔—翻邊（如圖3b所示），成形質(zhì)量好，可成形較高的直邊;但流程長，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實施難度較大。因此將工藝流程簡化為沖孔落料—翻邊（如圖3c所示），所實施的項目只對翻邊過程進(jìn)行工藝分析和模具設(shè)計，工藝實驗中的坯料（沖孔落料的環(huán)形件）實際上是由線切割提供的。

模具結(jié)構(gòu)? 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用設(shè)備密切結(jié)合，根據(jù)成形過程有限分析的載荷結(jié)合模具運(yùn)動要求選擇成形設(shè)備。仍以金屬襯環(huán)沖壓模具設(shè)計項目為例，成形過程中需要施加壓邊力以及沖頭的豎直運(yùn)動，因此選用多向液壓擠壓機(jī)為實施的平臺。利用合模力進(jìn)行壓邊，上方液壓缸提供沖頭直線運(yùn)動。基于此設(shè)備設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)（圖4）比基于單動壓力機(jī)的模具結(jié)構(gòu)簡單。

由于零件尺寸較大（法蘭外徑150 mm），從而導(dǎo)致模架尺寸較大，如圖4a所示，成本較高。即使采用標(biāo)準(zhǔn)模架，對上模座仍需進(jìn)行二次加工。因此，在實施階段對模具進(jìn)行簡化與重構(gòu)，省略導(dǎo)向裝置，如圖4b所示。最終該項目在當(dāng)年獲得資助，得以實施，如圖5所示。雖然由于模具安裝調(diào)試中沖頭（凸模）和壓邊圈、凹模對中沒處理好，沖壓零件不理想，但項目小組成員對原因進(jìn)行了分析，提出模具改進(jìn)意見，體現(xiàn)了“實施”中的改進(jìn)環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語

“模具設(shè)計與制造工藝”側(cè)重于原材料成形與控制工程專業(yè)下的實踐訓(xùn)練。專業(yè)基礎(chǔ)理論集中授課，項目評估統(tǒng)一答辯，具體項目繁雜多樣，實踐項目具體實施過程及其設(shè)計是重點(diǎn)。在項目實施導(dǎo)入中結(jié)合實踐場所的設(shè)備及模具工裝，引導(dǎo)學(xué)生形成工藝—模具—設(shè)備一體化設(shè)計思路，在“構(gòu)思”“設(shè)計”階段的目標(biāo)零件確定、工藝流程選擇、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要予以重點(diǎn)監(jiān)控和指導(dǎo)。為縮短項目周期、降低“實施”成本、提高成功率，需要對零件幾何模型、工藝流程、模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化。實踐表明，側(cè)重于專業(yè)方向的CDIO課程實踐能夠完善寬口徑通才教育模式下的專業(yè)方向背景，是實踐環(huán)節(jié)的有益嘗試。

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作者：張大偉，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為材料成形工藝及設(shè)備（710049）。

作者：張大偉，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，副教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為材料成形工藝及設(shè)備（710049）。