壓力鑄造生產虛擬仿真綜合實驗項目建設與教學實踐

陳元芳 屈亞龍 劉 春

（重慶理工大學材料科學與工程學院 重慶 400054）

壓力鑄造，簡稱壓鑄，是液態金屬材料重要的成型方法之一，壓鑄生產實踐是材料成型及控制工程專業學生重要的實踐環節。

采用真實裝備進行實驗教學存在如下問題：（1）需要各種儀器和設備，許多儀器價值昂貴、體積大，前期投入大，但功能卻單一且固定；（2）運行過程中電、液、氣等資源消耗大，設備后期維護成本高，有些設備運行環境極端，操作危險性高；（3）現場壓鑄生產，無法觀察到鑄件的成型過程，無法觀察到壓鑄機的內部結構和動作原理；（4）受資金、場地的限制，無法滿足學生實際動手能力培養的需要，無法實現開放、自主設計，創新型實驗更是難以開展；（5）真實的設備操作精密，很難開放共享；（6）生產企業給學生一線實踐的空間小，專業實習多為走馬觀花，實習難以到達預期的效果。

因此，運用計算機技術和虛擬現實技術，開發具有良好交互性能的虛擬仿真實驗教學系統，以其逼真的視覺效果、強烈的沉浸感、良好的交互性、平臺的可擴展性逐步取代傳統的實驗教學具有廣泛的現實需求。

1 實驗目的

壓鑄生產虛擬仿真綜合實驗項目通過融入壓鑄生產企業的實際案例，采用虛擬現實技術的方法，構建全流程、高仿真、強交互性的壓鑄成型虛擬仿真實驗項目，達到以下實驗目的：學生在虛擬環境中，不受時間、空間的制約，隨時、隨地進入虛擬實驗室進行虛擬實驗項目操作，使學生進一步掌握壓鑄模具結構、各部件裝配關系及拆裝順序；掌握壓鑄機的動作原理及結構組成，掌握壓鑄機選型方法等知識。通過在虛擬場景中身臨其境和自主控制的人機交互，提高專業興趣，啟發創造性思維，培養獨立進行方案設計和問題解決的能力。

2 實驗涉及知識點

壓力鑄造生產虛擬仿真綜合實驗項目以前蓋壓鑄件實際生產為例，按照壓鑄生產實際生產設備與生產流程，構建了壓鑄生產全實景三維虛擬仿真實驗平臺。將企業的制造理念、工作模式融入虛擬實驗教學組織和教學流程之中，注重積極培養學生的工程創新意識和工程實驗能力。該虛擬實驗項目，主要包括虛擬合金熔煉、虛擬模具拆裝、虛擬壓鑄模具安裝、虛擬壓鑄成型、虛擬鑄件切邊、虛擬打磨、虛擬時效處理、虛擬拋丸處理、虛擬檢測九個部分。實驗涉及知識點如下：

2.1 合金熔煉

根據鑄件材料要求進行配料，設置適當的熔煉工藝參數，合理添加除渣劑；運用旋轉吹氣進一步凈化合金熔液，有效提升冶金質量。

2.2 模具結構拆裝

通過虛擬壓鑄模具裝配，學生模擬鉗工把以備好的壓鑄模進行拆裝，掌握零部件間的拆裝順序、配合關系，掌握模具整體結構、各零部件特點及技術要求。

2.3 模具安裝

壓鑄模具必須與壓鑄機適配，相關安裝尺寸、位置必須匹配。

2.4 壓鑄成型

壓力鑄造是壓鑄機將高溫融熔金屬液，在高速高壓狀態下以一定的工藝條件快速充填型腔，并在一定壓力作用下快速冷卻的鑄造方法。壓鑄時金屬液按填充型腔的過程，是將壓力、速度、溫度以及時間等工藝因素得到動態平衡的過程。壓力鑄造分為熱室壓鑄機壓力鑄造和冷室壓鑄機壓力鑄造兩類。

本實驗項目以冷室臥式壓鑄機為例進行壓鑄成型實驗。冷室臥式壓鑄的過程是：合模后，金屬液澆入壓室，壓射沖頭向前推動，金屬液經澆注系統充填模具型腔，凝固冷卻后成型壓鑄件，隨后壓鑄機動模板移動使模具動模與定模分開，模具打開，鑄件在推出機構作用下推出，取出鑄件，完成一個壓鑄循環。

2.5 鑄件清理

（1）切邊。利用切邊機、切邊模去除鑄件水口流道、溢流系統及飛邊，去除大部分多余的材料；（2）打磨。用手工去除殘留的批鋒毛刺。

2.6 時效處理

時效處理是將鑄件加熱到某一溫度并保持一段時間，使鑄件基體達到穩定狀。

2.7 噴丸處理

對鑄件表面進行清理和表面強化處理。

2.8 鑄件檢測

JEW SPC測量系統是基于坐標測量的，將各被測幾何元素的測量轉化為對這些幾何元素上一些點集坐標位置的測量，在測得這些點的坐標位置后，再根據這些點的空間坐標值經過數學運算求出其尺寸和形位公差。

3 實驗實施過程

學生通過廣域網經由開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺鏈接到本項目，在線上預先按照圖中實驗教學流程自由地進行理論學習和仿真操作，而教師則在線進行答疑。

（1）預習。基于問題的引導式、開放式教學，教師提前布置預習任務，了解實驗目的、實驗原理、鑄件分析內容、模流分析方法等，以預習考核方式引導學生主動預習。仿真平臺24小時向學生開放，在規定的時限內，學生登錄仿真平臺進入“預習”系統預習實驗。

（2）學生學習仿真實驗并進行考核。學生在理論學習、預習后，需在開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺中進行考核，考核成績合格后，方能取得學習仿真實驗的資格，授課教師才向其開放仿真學習資源。

4 實驗方法

（1）工藝介紹：學生通過網站中的背景介紹、教學資源介紹學習前蓋壓鑄生產工藝介紹自主學習工藝流程、相關設備操作等。

（2）網絡教學平臺介紹：打開瀏覽器，在地址欄中輸入實驗項目展示網站網址，點擊頁面中的“登錄入口”按鈕。先選課，然后再開始實驗，圖1所示為開始實驗頁面。學生通過網站中的學生使用手冊，自主學習網站使用方法，圖2所示為平臺使用手冊下載頁面。

圖1：開始實驗界面

圖2：平臺使用手冊下載

（3）軟件詳細演示：學生根據網站中的教學演示視頻，自主學習3D仿真軟件進行全流程壓鑄生產相關操作，使學生掌握相關設備操作方法。

（4）上機模擬：學生進行3D操作模擬，模擬合金熔煉、模擬模具安裝、模擬壓鑄成型、模擬鑄件清理、模擬時效處理、模擬拋丸、模擬檢測等生產過程。

（5）在線協同操作：網上可設置虛擬班組，如7人一班，每人一個工位，根據“虛擬生產任務”分合金熔煉、模具安裝、模擬壓鑄成型、模擬鑄件清理、模擬時效處理、模擬拋丸、模擬檢測工位進行仿真聯合操作，共同完成虛擬生產任務。

（6）在線考核：教師提出預習考核內容和操作考核內容，學生進行考試，成績自動保存到教師機。

（7）實驗報告：對前蓋壓鑄生產原理、工藝流程、操作步驟等撰寫仿真生產實驗報告，并在線上傳。

5 實驗教學項目特色

5.1 壓力鑄造虛擬仿真綜合實驗項目特點

（1）“以虛補實，虛實結合”的虛擬實驗項目，解決了壓力鑄造生產實驗過程復雜、實驗設備昂貴、現場實驗危險大、實體教學實驗難以開展的問題。

（3）以工程認證理念和新工科人才培養要求為導向，交叉融合壓鑄成型工藝及模具方面的知識點，構建虛擬實驗場景，實現模擬壓鑄生產的“全流程工藝過程”，讓學生感受到完全“真實”的工業化生產運行環境，使學生在虛擬實訓中掌握壓鑄工藝理論、設備及操作等知識，有效鍛煉和培養了學生分析和解決復雜工程問題的能力。

5.2 教學方法

“以學為中心”，以問題為導向，案例貫穿全流程的推進自主式和探究式學習模式，通過線上線下相結合的個性化、智能化實驗教學新方法，培養學生的學習興趣和探索精神。同時，依托在線平臺，實現虛擬“認識實習”、“生產實習”和真實的“實訓操作”，拓展了學生的學習模式和學習空間，是集“教學、實驗、考核”于一體的全新教學模式。

5.3 多元化評價體系

評價體系為以“學生為中心”的多元化評價體系，以實驗預習、實驗操作、實驗結果、實驗報告“四位一體”全面考核和評價學生的學習成效，同時建立學生電子檔案，采取學生自評、小組評價、教師評價相結合的方式，提高學生學習效果。

5.4 傳統教學的延伸與拓展

運用3D仿真、VR在線交互等現代教學技術，實現三維交互虛擬仿真實驗系統的轉換和優化，通過開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，加強資源的有序整合和有效對接，實現資源的交叉訪問、在線學習、操作、測試等，實現對傳統理論教學和實驗教學的延伸和拓展。

6 教學效果

本實驗項目可達到以下教學效果：

（1）利用虛擬仿真技術，將合金熔煉、模具拆裝、壓鑄模具安裝、壓鑄成型、鑄件切邊、打磨、時效處理、拋丸處理、檢測在虛擬仿真環境中逼真體現，可以大大提高教學過程的直觀性。

（2）通過壓力鑄造生產虛擬仿真綜合實驗項目的訓練，顯著提高學生的自學能力、查閱文獻資料能力、實驗技能和動手能力、分析和解決實際工程問題的能力。

（3）壓力鑄造生產虛擬仿真綜合實驗項目重視認知、技能、分析等多種教學目標的協同達成，同時注重階段性目標和方向性目標的有機結合，有利于整體教學目標的實現。

（4）壓力鑄造生產虛擬仿真綜合實驗項目注意教材各知識點的內在聯系，合理統籌規劃教與學的內容，教學內容的呈現符合學生的心理結構特色。

7 結語

針對壓力鑄造生產虛擬仿真實驗教學資源相對匱乏的現狀，筆者及所在教學團隊開發了壓力鑄造生產虛擬仿真綜合實驗項目。基于真實車間場景實地測繪、建模，綜合運用虛擬儀器、有限元仿真軟件、三維場景與VR、人機在線交互等技術，逼真再現了合金熔煉、壓鑄模具安裝、壓鑄成型、鑄件清理、鑄件時效處理、噴丸處理、鑄件檢測等全工藝流程。該虛擬實驗教學項目，以虛補實，支持學生在線訪問，自主操作設備完成各工藝實驗。學生通過在線虛擬仿真實驗，加深對壓鑄成型原理、壓鑄模具結構、壓鑄工藝參數等知識的理解，解決了壓力鑄造實體實驗受場地限制、操作危險高、高成本、高能耗難以開展的問題。