模型和實物并重的系統(tǒng)化模具專業(yè)綜合實驗研究

趙昌葆，賀 平，高鐵軍，張漢茹

（沈陽航空航天大學 航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136）

1 概述

技術進步、產業(yè)升級和經濟、社會的發(fā)展，對高等教育提出了更高的要求，高校必須與時俱進、主動求變，全面提高人才培養(yǎng)質量。對于工科高校而言，綜合運用專業(yè)知識創(chuàng)新性地解決工程實際問題的能力，無疑是工科學生必須具備的核心能力，而實踐教學環(huán)節(jié)則是培養(yǎng)這種能力的關鍵[1-2]。

1.1 模具專業(yè)綜合實驗的作用

模具作為一種重要的工藝裝備，廣泛應用于航空、航天、船舶、兵器、交通和輕工等眾多領域，模具設計制造直接關系到產品的性能，其工作效能取決于坯料性能、成形條件、模具構型及設備狀況等多種要素，諸多要素“耦合”在一起形成一個系統(tǒng)，模具成形制件屬于典型的工程問題。解決模具成形制件的問題，需要借助成形理論、板料性能、制造工藝、設備原理等方面的專業(yè)知識以及相關平臺工具，更離不開對成形過程的整體把握和專業(yè)知識的綜合運用，既要著眼全局和綜合考慮，又要權衡決策和研判關鍵，這就對模具人才的培養(yǎng)提出了很大的挑戰(zhàn)。

模具專業(yè)課程為學生解決工程實際問題提供了某一方面的知識，專業(yè)課程包含的課程實驗通過實例演示和實物驗證加深了學生對某一門類課程中基本概念、原理和方法的理解，只是針對模具成形制件的某一環(huán)節(jié)，無法將該過程作為一個系統(tǒng)進行綜合分析和通盤考慮。生產實習側重于了解模具制造企業(yè)的實際產品系列、生產布局、制造流程、工藝方法、工具設備和物料類型，以及現(xiàn)場的各種加工、檢驗、處理和傳送等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了課堂知識由“抽象”到“形象”的轉變，將學生對專業(yè)的認知與現(xiàn)場的實物聯(lián)系起來。但企業(yè)面向市場需求組織生產活動具有很大的不確定性，很難提供符合教學要求的工程案例和學習實例。因此，在學生基本完成專業(yè)課程學習的基礎上，開展覆蓋制件成形全過程的專業(yè)綜合實驗，借助于認知、分析、規(guī)劃、設計、實踐、驗證等方法，綜合運用各種軟硬件工具和實驗設備，學生通過思考、動手、討論、交流和協(xié)作，解決工程實際問題，是培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。

1.2 模具專業(yè)綜合實驗的現(xiàn)狀

市場對綜合型高素質專業(yè)技術人才的需求不斷增加，突出實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的專業(yè)綜合實驗作用更加明顯。為了提高模具人才的質量，相關高校采取了多種方法改進和完善模具專業(yè)綜合實驗，主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，隨著數字化技術的發(fā)展，廣泛開展數字化實驗和虛擬實驗，例如模具結構的虛擬拆裝、模具工作過程的動作仿真，以及模具虛擬實驗平臺等[3-6]；另一方面，由單點孤立實驗發(fā)展為綜合集成實驗，例如模具數字化綜合實驗、模具設計制造和產品成形綜合實驗等[7-10]。數字化實驗和虛擬實驗通過實物模型化和過程虛擬化，在擴展實驗容量、降低實驗成本、激發(fā)學生自主學習等方面起到了明顯的作用，但在教學效果方面存在不足[11-12]。對于模具成形制件這樣典型的工程問題，模型和虛擬過程的局限性如下。

（1）模型和虛擬過程只是近似于實物和真實過程，無法客觀地反映真實情況，甚至存在較大的偏差。學生無法從工程細節(jié)中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，不利于形成嚴謹求實的工程思維方法。如坯料模型可以描述坯料的形狀尺寸和成形性能參數，但無法反映坯料的厚度公差和邊緣質量等；模具模型可以描述模具的結構組成和凸凹模幾何參數，但無法反映模具的制造精度和凸凹模的表面狀態(tài)等。而這些因素在工程實際中非常重要，影響制件成形質量。因此學生不僅要理解模型和虛擬過程本身，清楚建模的前提條件，而且要善于洞察近似忽略的問題，以及工程問題的解決方法，最終還要回歸實踐。

（2）模型和虛擬過程主要通過計算機和網絡傳遞視覺信息，但實際的制件成形過程涉及物質、信息和能量三個方面，其中坯料、模具和設備不僅具有幾何和運動屬性，而且具有強度、硬度、韌性、潤滑、導熱、腐蝕等多方面理化特性，還涉及毛坯狀態(tài)、加工誤差、表面質量、裝配精度和操作水平等方面的制造特性。實踐教學除了動眼，還要動手、動腦，觀察坯料的纖維方向和斷面形態(tài)，觸摸零件的加工紋理和光潔程度，體驗手工裝配敲擊的力度，感知壓力機工作時的振動，識別摩擦生熱后制件的顏色和氣味。這些是制造過程的重要信息，只有通過實物加工，學生才能全面感知和理解制造的本質，逐漸形成工程直覺。

（3）模型和虛擬過程具有固定的模式，相同的操作得到的結果完全相同，而工程問題由于涉及的因素很多，具有很大的不確定性，相同的結果極少重現(xiàn)，這也是工程問題復雜性的重要原因之一。唯有加工對象實物和真實的加工過程，才能反映特定加工方法的實質，只有準確判別各種因素對加工過程的影響，才能揭示制造規(guī)律，這是一個“探索—發(fā)現(xiàn)—驗證—再探索”的循環(huán)，不僅適用于工程規(guī)律的探索，而且適用于工程系統(tǒng)的構造。該環(huán)節(jié)對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力具有不可替代的作用，給定的模型和虛擬過程顯然無法獲得上述效果。

2 模具專業(yè)綜合實驗設計

2.1 實驗背景

模具專業(yè)綜合實驗是在學習塑性成形、鈑金工藝、沖模設計、模具制造和成形設備等專業(yè)課程（包括課程實驗），以及計算機輔助設計、制造和工程分析的基礎上開設的綜合性實踐教學項目。通過上述課程學習，學生已經理解材料塑性成形的力學基礎及板料性能對塑性成形的影響，掌握零件成形的工藝方法及成形過程中材料的流動情況和應力應變分布，能夠針對簡單鈑金零件設計成形模具結構及主要零部件，并制訂模具的制造和裝配方案，理解塑性成形設備的工作原理和結構組成，同時掌握了零部件及裝配體的三維造型方法，以及對典型零件的塑性成形過程進行仿真的方法。

模具專業(yè)綜合實驗旨在通過實物場景使學生形成鈑金零件加工的感性認知，建立相對完整的成形加工系統(tǒng)概念，了解坯料、模具、設備之間的相互作用關系，理解改善成形制件質量所采用的常用工程方法，掌握綜合利用專業(yè)知識和技術手段解決工程問題的能力。

2.2 實驗內容

模具專業(yè)綜合實驗的教學時間為2周，包括“模具拆裝與結構認知”“模具設計與三維造型”“零件加工與模具裝配”“設備使用與模具安裝”“制件成形與分析調整”及“制件測量與模型重建”等6個模塊，各模塊的實驗條件、實驗方式及時間如表1所示。

表1 模具專業(yè)綜合實驗模塊

為了全面反映成形系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，采用凸緣筒形件及其拉深模具作為實驗對象，說明鈑金零件制造過程。

（1）模具拆裝與結構認知。該模塊通過沖裁、彎曲、拉深等模具實物說明模具的動作序列和執(zhí)行機構，實現(xiàn)這些動作的零部件及其空間關系和連接配合方式，主要包括用于支撐、導向、定位、成形、出料和固定等作用的零部件，標準件的類型和自制件的典型結構，模具零件的常用材料。模具實物中存在不可拆連接，由教學模具替代完成拆卸和重裝，同時提供在通用CAD軟件平臺上開發(fā)的模具虛擬拆裝功能模塊。

（2）模具設計與三維造型。該模塊確定鈑金零件的制造方案，通過工藝計算得到成形工藝參數、凸凹模的尺寸和毛坯大小，依據鈑金零件的技術要求，參照設備規(guī)格，擬定模具結構方案，選定標準模架和其他標準件，確定自制零件的材料和尺寸、公差，建立模具零件及裝配體的三維模型，模架和標準件模型從通用CAD軟件平臺上開發(fā)的模型庫中直接調用。

（3）零件加工與模具裝配。在先修的“金屬加工實訓”中完成機械加工和數控加工認知的基礎上，該模塊采用電火花線切割機床進行鈑金零件毛坯的外輪廓疊層切割，采用電火花成形加工機床進行凸模與凹模加工，采用普通機床進行成形電極切削加工，選用購置的標準模架進行手工裝配，成形零件采用機械連接，采用光學觀察法保證凸凹模間隙均勻。

（4）設備使用與模具安裝。該模塊通過設備實際運行和設備模型動作仿真說明曲柄壓力機和液壓機的工作原理、運行機構和性能特點，闡明成形設備參數對工藝方法、模具尺寸、制件大小和加工載荷的限制，說明模具在設備上的定位和緊固方法。壓力加工設備須由專門的實驗教師操作，學生可以對仿真軟件進行自主設置和運行。

（5）制件成形與分析調整。該模塊通過不同的制造方案說明坯料、模具、設備和工藝條件對成形過程的影響，培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)知識解決工程問題的方法。模塊中設置了坯料、模具、壓邊裝置、潤滑條件、設備參數等5個因素進行對比實驗，制件成形影響因素分析與調整如圖1所示。同時提供塑性成形過程仿真的分析環(huán)境。通過調整不同因素改變成形過程，分析各種因素對成形過程的影響，通過成形仿真預測制件的成形質量，通過實驗過程驗證仿真結果的合理性。

圖1 制件成形影響因素分析與調整

（6）制件測量與模型重建。該模塊采用三坐標測量機測量成形制件上的一組特征點，將測量結果與鈑金零件的三維模型的特征點進行比對，得到制件的尺寸和外形誤差。通過大面積測量獲得點云數據，將點云擬合生成近似曲面，曲面加厚生成近似的零件實體模型。通過“設計三維模型→制件實物模型→測量三維模型”，實現(xiàn)數字化制造閉環(huán)控制。

2.3 實驗要求

模具專業(yè)綜合實驗采用實物過程演示、實際動手操作以及軟件建模和仿真相結合的方法，將“實踐→課堂→實踐”的學習途徑映射為“實物→模型→實物”的認識模式，實現(xiàn)了知識基礎、教學內容和能力目標的匹配，強化了學生對專業(yè)基礎課和專業(yè)課中所學的概念、原理和方法的理解，獲得“制造系統(tǒng)”的感性認識和直觀體驗，將各知識點通過解決工程問題聯(lián)系起來建立系統(tǒng)的專業(yè)知識體系。通過使用專業(yè)軟件，對比模型和實物、虛擬過程和真實過程之間的差異，加深學生對工程問題的理論建模思路和實際解決方法的理解。模具專業(yè)綜合實驗教學內容、對學生的能力要求及支持各實驗環(huán)節(jié)的知識基礎三者之間的對應關系如圖2所示。

2.4 模塊關系

圖2 實驗內容、能力要求和知識基礎之間的對應關系

圖2 中的實驗內容模塊的順序符合鈑金零件的實際制造邏輯，各模塊之間相互聯(lián)系，模擬了實際制造工程過程中各技術環(huán)節(jié)之間的協(xié)調和配合，再現(xiàn)了各工程任務之間的“輸入”“約束”“支撐”和“反饋”關系。模具專業(yè)綜合實驗任務模塊之間的聯(lián)系如圖 3所示（其中實線和實線框表示實物，虛線和虛線框表示信息）。模塊1（模具拆裝與結構認知）根據模具功能要求“輸出”模具方案，作為模塊 2（模具設計與三維造型）的工程設計“約束”，模塊2“輸出”模具工程定義“反饋”給模塊1；模塊 2的“輸出”作為制造依據也是模塊3（零件制造與模具裝配）“輸入”，模塊 3“反饋”給模塊 2模具的制造工藝性；模塊 4（設備使用與模具安裝）作為模塊2的設備能力“約束”， 模塊2“反饋”給模塊4模具與設備的適配性；模塊2作為模塊 5（制件成形與分析調整）的實現(xiàn)工具“約束”，模塊5“反饋”給模塊2設計調整信息；模塊3“輸出”模具實物作為模塊 5成形過程的工具“支撐”，模塊5“反饋”給模塊3模具調整信息；模塊4作為模塊5的設備“支撐”，模塊5“反饋”給模塊 4設備調整信息；模塊5“輸出”制件實物作為模塊6（制件測量與模型重建）的測量對象“輸入”，模塊 6“反饋”給模塊 5制件幾何信息。此外，模塊 5還需要外部“輸入”成形對象的坯料，并反饋坯料調整信息。

圖3 實驗內容各模塊之間的聯(lián)系

3 模具專業(yè)綜合實驗的實施

3.1 實驗組織

模具專業(yè)綜合實驗的教學對象是飛行器制造工程專業(yè)鈑金與模具方向的大四學生（三個班），將學生按照實驗模塊分為6個組，每組約15人，滾動進行，即第一組從模塊 1（模具拆裝與結構認知）開始，第二組從模塊 2（模具設計與三維造型）開始……，依次推進。學生通過先修課程學習已經對支撐實驗內容的相關知識有了一定的認識和理解，因此可以從任一模塊開始學習。

模具專業(yè)綜合實驗實行完全開放式教學，包括講解、演示、分析、操作（包括實物和軟件）等環(huán)節(jié)，鼓勵小組內部及小組之間的交流和協(xié)作，師生之間倡導自由討論，具體方法如下。

（1）同組協(xié)作。如可以就一副模具展開協(xié)同設計，劃分模具結構模塊并確定接口后，分別完成相應的內容，發(fā)生變更時經由接口發(fā)出通知，直至完成模具設計；還可以就制件成形過程中的不同調整方法，比較不同的成形效果。

（2）組間交流。如模具設計組在設計之前可以向模具制造組的教師和學生了解某種制造方法對零件形狀、尺寸和精度的限制，可以向成形設備組的教師和學生了解指定設備的裝模要求和功率范圍。

（3）綜合討論。每個小組完成全部模塊的實驗內容后，教師組織2 h的綜合討論，分析各種因素對鈑金零件成形的影響，總結提高鈑金零件制造質量的方法，比較各種模型和仿真的效果等。

3.2 成績評定

模具專業(yè)綜合實驗采用結果和過程相結合的成績評定方法，每個模塊都留有一定量的課后作業(yè)，用于鞏固基本知識，或查閱、分析資料，對課堂知識進行拓寬和加深，以報告的形式提交，作為結果評定的依據。過程評定的一方面是考查課堂實踐的完成質量，例如模具實物重裝的正確性，模具結構設計、制造方案的合理性，成形失效調整方法的可行性等，它們比較客觀地反映了學習效果，同時也為教學環(huán)節(jié)的持續(xù)改進指出了方向。過程評定的另一方面是考查學生學習的主動性、對工程問題的敏感性、問題解決思路的創(chuàng)新性以及與學生之間的協(xié)作性等課堂表現(xiàn)。工程問題本身具有開放性，解決方案不唯一，要求學生思維開闊，并能夠進行多方面協(xié)調；思維品質和職業(yè)精神的培養(yǎng)，是塑造未來創(chuàng)新型工程師的重要內容。

每個模塊的成績均由課后作業(yè)、課堂實踐、課堂表現(xiàn)等三個部分組成，模具專業(yè)綜合實驗總成績由 6個模塊按照學時占比加權平均所組成。

4 效果分析

模具專業(yè)綜合實驗采用模型和實物相結合的系統(tǒng)化方法，再現(xiàn)了數字化條件下鈑金零件的制造過程。學生通過該實驗環(huán)節(jié)的學習，初步建立了制造系統(tǒng)的概念，理解了坯料、模具、設備和工藝之間的內在聯(lián)系，明確了模型和實物、虛擬過程和實際過程在解決工程問題中的作用，加深了對專業(yè)知識的理解，拓展了思考問題的維度，加強了在工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題并探索創(chuàng)新解決方法的能力。

飛行器制造工程專業(yè)鈑金與模具方向兩屆的教學實踐表明，學生經過該實驗環(huán)節(jié)的學習和訓練，提高了解決工程問題的分析能力和實踐能力，增強了學習專業(yè)知識、探索工程實踐的自信心和積極性。畢業(yè)設計中要求學生完成與課程設計（或課程實驗）類型相同、要求更高的項目，如模具設計、模具制造方案制定、制件成形過程仿真等。絕大部分學生的完成質量較課程設計（或課程實驗）有明顯的提高，主要表現(xiàn)為模具結構的可行性、技術要求的明確性、零部件制造和裝配的工藝性、制造方案的實用性、設備和模架選擇的合理性以及對仿真結果分析的客觀性。上述效果在學生答辯過程及提交設計論文中都有直觀的體現(xiàn)，說明了模具專業(yè)綜合實驗模式的可行性。

5 結語

模具專業(yè)綜合實驗是飛行器制造工程專業(yè)鈑金與模具方向重要的教學環(huán)節(jié)，將實驗教學的內容配置成6個緊密聯(lián)系的模塊，既覆蓋了大部分專業(yè)知識，又符合鈑金零件的制造邏輯，便于建立制造系統(tǒng)的概念。采用模型和實物相結合的實驗方法，可使學生將抽象思維和形象思維結合起來，從工程實踐中發(fā)現(xiàn)問題，綜合運用專業(yè)知識創(chuàng)新性地解決工程問題，達到教學大綱的能力培養(yǎng)要求，具有一定的推廣性。