冲压成形虚拟仿真在应用技术大学教学改革中的应用

孙　腾,吴彤峰,潘宇晨

(钦州学院　机械与船舶海洋工程学院,广西　钦州　535000 )



冲压成形虚拟仿真在应用技术大学教学改革中的应用

孙腾,吴彤峰,潘宇晨

(钦州学院机械与船舶海洋工程学院,广西钦州535000 )

针对冲压成形工艺及模具设计课程教学过程中具有表现形式抽象、理论纷繁复杂、学生听课积极性不高等问题，提出了采用多媒体教学与理论知识相融合、实际工程案例与虚拟仿真技术相融合、文献阅读与课程作业相融合的教学模式。有效地激发了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力与实践能力，增强了学生对冲压成形工艺的理解与冲压模具设计能力。

冲压工艺；虚拟仿真技术； 教学模式； 应用技术大学教学改革

一、引言

冲压成形工艺及模具设计是机械制造及其自动化(模具设计方向)教学中一门重要的理论基础课，它包含塑性加工力学基础、冲压成形工艺方法、成形过程中常见的成形缺陷及冲压模具设计等相关内容，要求学生能够根据成形件的特点制定成形工艺流程及设计模具的方法，或能够对工程中现有的工艺方案及模具实现优化设计。因此，冲压成形工艺及模具设计课程的教学质量在培养学生分析问题、解决设计缺陷方面起举足轻重的作用。传统冲压成形工艺及模具设计课程采取教师口头讲解冲压成形原理，学生被动听讲却不知实际生产过程中问题所在，这种传统的教学模式因受到实际条件的限制，使原本枯燥的理论部分更加生涩难懂，师生之间缺乏交流，不利于学生对冲压过程中出现的问题充分理解与分析，限制了教学效果的提高。

应用型大学本科教育着重培养能够在一线胜任的应用工程师[1]。钦州学院作为教育部首批应用技术大学改革试点，历来十分重视学生的实践能力、设计能力和创新能力。在长期的教学过程中我们发现传统“填鸭式”的理论教学已经满足不了飞速发展的工业对人才培养的要求，教学中暴露出的各种问题严重制约了学生的创新与实践能力，不能满足应用技术型人才的培养。为了突破传统教学效率低的瓶颈，达到应用技术型本科教育改革面向未来工程师的素质要求，项目组的成员充分利用互联网资源、计算机虚拟仿真技术以及基于文献阅读法的课程作业对冲压成形工艺教学模式进行改革，并初步取得了一定效果。本文将从多媒体教学与理论知识相融合、实际工程案例与虚拟仿真技术相融合、文献阅读与课程作业相融合的三步教学法来对冲压成形工艺及模具设计课程教学方法进行探索和介绍。

二、传统冲压成形与模具设计教学过程中的问题

钦州学院冲压成形工艺及模具设计课程共安排了67课时，其中有8课时是实验课时。传统冲压成形课程受制于实验条件、实验课时的限制，人才培养途径较为单一，缺少学生的实验与创新平台，对于锻炼学生的创新性和实践性显得十分有限，很难从根本上激活学生的创造性思维[2-4]。而冲压成形工艺及模具设计又是一门概念原理较多，学习起来较为枯燥，实践性极强的课程，如不能生动地结合工程实例，很难做到理论联系实际，更难培养出合格的应用技术人才。

以冲压成形工艺中的拉伸工艺来说，就包括圆筒形件拉伸、盒形件拉伸、曲面零件成形等不同种情况，不同形状的零件成形有不同的成形特点及与其相对应的产品缺陷，很容易造成学生概念上的混淆。以冲压模具设计为例，对于如何制定冲压件的工艺方案、毛坯尺寸的确定及生产过程中各种工艺参数的择取都需要实践经验，这给理论教学带来了一系列较为困难的问题，使教学成果大打折扣。针对冲压工艺及模具设计课程，如何制定合理、高效的教学模式改善教学质量，如何与学生进行深入探讨来拓展学生的学科视野，如何利用现有平台充分发挥学生的创新思维并将其转化为科技成果，成为了培养合格的模具设计师、优秀的应用技术型人才的当务之急。

三、应用多媒体、虚拟仿真技术、文献阅读巩固提高理论教学效果

教学模式是教学理论和教学实践的综合体[5]。实验心理学家赤瑞特拉的两个实验表明，采取多种不同教学模式来获取同样的信息量时，教学效果会有显著的提高[6]。因此，针对目前钦州学院冲压成形工艺及模具设计课程现状，教研室采取了多媒体教学与理论知识相融合，实际工程案例与虚拟仿真技术相融合，文献阅读与课程作业相融合的教学模式来调动学生的积极性，加深学生对冲压理论课的理解深度。以筒形零件的多次拉伸成形为例，实施了如图1所示的教学模式，充分利用多种教学模式组合的优势，将教学理论与教学实践综合在一起，提高了学生对冲压成形课程的学习主动性与积极性，进而影响教学效率与质量。

图1　三步法教学模式流程图

1.多媒体教学与理论知识相融合

随着信息化技术飞速发展，多媒体技术已成为现代大学课堂中普遍使用的技术之一，而如何将信息技术与课程中的理论知识相融合，成为应用技术型大学改革的关键[7]。在上理论课时，教师可以利用多媒体教学的高效率、高速度的特点，将实际生产中复杂的图形、各零部件的运动轨迹以及理论课中繁琐的公式推导，简明扼要、活灵活现地呈现给大家[8]。

零件冲压成形通常要经历多道工序，如冲裁、弯曲、拉伸、胀形、翻遍，由于学生没有充足的工厂经验，很难想像其动态生产过程。本课题组将与板料多次拉伸成形有关的视频资料、图片等背景资料融入到课程的PPT中，通过将多媒体技术与理论知识相融合，对学生的多种感官进行刺激，促进学生高效率地获取知识。

例如，以玉柴机油滤清器外壳成形为例，其实际生产装备如图2所示。通过将板料多次拉伸成形制作成视频，帮助其了解板料多次成形工艺的生产过程，同时，教师可以在播放过程中随时暂停，将关键的模具成形过程作重复播放并将其与塑性成形理论相结合，讲解强调给学生，加深其对金属塑性成形理论部分的理解与记忆。另一方面，身临其境的教学环境激发了学生的学习积极性，达到了事半功倍的效果，在课时有限的情况下，有效提高了课堂上的教学效率。又如，生产一个复杂冲压件大都需要经过多道工序，而如何制定效率高、经济性好的工艺路线，成为困扰学生的一个难题，所以，通过录制视频，可以让学生清晰、直观地看到不同的工艺路线会对产品的质量产生什么样的成形特点，使后续讲述理论课难度明显降低。通过多媒教学与传统教学的有机融合，才能使得两种教学相得益彰，最大程度地提高应用技术大学的理论课教学质量。

图2　筒形件工程实际设备图

2.实际工程案例与虚拟仿真技术相融合

在不断深化自主创新精神，努力建成创新型国家的大背景下，虚拟仿真技术在提高高等教育质量上的作用正不断凸显[9]。随着CAE技术的发展，虚拟仿真技术日趋完善，科学建设虚拟仿真实验教学中心以突破传统教学中时间空间以及实验条件的限制已成为国家持续建设高水平应用技术型大学的重要目标。在冲压成形及模具设计教学过程中，教师可以利用计算机技术构建高度仿真的虚拟流程和场景，并通过人机交互及网络通讯等技术手段模拟工程中实际产品的加工工艺及零件的加工过程，通过虚拟教学，可以较大程度地减少实验成本与实验周期。同时，虚拟仿真实验过程可控性强，当遇到学生不明白的地方，即可随时进行重复操作且无任何安全隐患。通过虚拟教学可以很好地解决模具设计及工艺验证生产周期长、成本高的缺陷。

图3　筒形件多工步有限元模型

比如，为了使学生充分理解拉伸成形中材料的拉伸极限系数，以实际工程案例中玉柴机油滤清器外壳成形为例，其生产工艺拟采用外壳圆片料落料，三次拉伸及一次反拉伸工序，最后进行切边整形的工艺路线，其成形过程较为复杂，如果通过教学仪器来进行教学实验，还需配备多套模具及大量工程材料。从安全角度来考虑，学生未受过系统安全教育培训，生产安全意识相对薄弱，进行冲压实验操作比较危险。虚拟仿真实验通过DYNAFORM软件建立多工步有限元模型对玉柴机油滤清器外壳正拉伸成形、反拉伸成形过程进行模拟，如图3所示。根据模拟的结果有目的地对凸凹模具间隙、凸凹模圆角、压边力等工艺参数和模具进行优化，同时，也提高了学生对软件的应用水平。图4为第四步反拉伸成形的结果，从该软件生成的动画中，可以看到凸凹模的运动行程及产生缺陷时的动态过程，从最终的成形极限图和减薄图中可以得到冲压件产生缺陷的位置及各位置的减薄具体数值。针对玉柴机油滤清器外壳成形的实际案例，并基于虚拟仿真技术进行设计分析，较大程度地提高了学生的积极性与主动性，有效地弥补了应用技术大学创新性、实践性不足的缺憾。

图4　筒形件成形极限图和减薄图

3.文献阅读与课程作业相融合

在《国家中长期教育改革和发展规划纲要》中明确指出，高等教育要培养出适应于我国市场经济发展，能够胜任一线任务的创新型人才[10]。科技文献的阅读是科学研究的起点，也是培养学生创新思维的重要手段和必不可少的环节[11]。就培养应用型本科大学生来说，培养实践能力尤为重要，但培养学生的创新思维也必不可少。文献阅读有利于促进学生了解科学发现的过程，培养学生的创新思维，提高学生的科研积极性。基于文献阅读法完成课后作业，可以让学生理解为什么要这么做，怎么做才能达成目标，做出来的结果是什么。基于文献法完成的课后作业可以将学生上课所学到的理论知识融会贯通，培养学生对冲压成形及模具设计课程的学科兴趣，并学以致用，最后通过虚拟仿真验证自己的设想。下面列出板料多次拉伸所用到的文献，如下表所示：

表　筒形件课程作业所需阅读参考文献

其中文献1向学生展示了筒形件冲压成形虚拟仿真过程中会遇到的问题，如何能够顺利建立筒形件的有限元模型；文献2讲述了冲压成形工艺的设置；文献3、4讲述了工艺参数对筒形件成形的影响；文献5则讲述了筒形件的模具改进及设计方法；文献6、7、8、9、10则讲述了在不同工况、不同工艺条件下，筒形零件的成形特点及相应的缺陷改进措施，目的是拓宽学生的视野，让学生更好地了解筒形零件成形的前沿技术，有利于学生不拘泥于书本知识，提高学生的创新性。因此，将课程作业作为载体，通过文献阅读法激活学生的创新思维，经过师生之间充分的研讨并通过虚拟仿真实验作为学生实践的创新平台，是冲压类模具教学模式改革中必不可少的环节。

四、结束语

应用技术型大学冲压成形工艺及模具设计课程改革不仅要求学生掌握扎实的理论基础，还要求培养学生的创新思维与实践能力。利用多媒体及互联网丰富的声音、运动图像，使学生身临其境一般体验生产实践中复杂的工艺流程。而实际工程案例与虚拟仿真技术相融合，生动、直观地展示了课本上枯燥的知识，加深了学生对原理的认识，同时，也解决了教学缺少实验的不足，提供了学生实现创新思维的平台，更好地将理论知识融合到实践生产过程中去，也提高了学生的CAE水平，迎合了企业数字化制造人才的需求。同时，基于文献阅读来完成课程作业，培养了学生的科研能力，更重要的是让学生知道为什么要这么做，怎么做才能达成自己的目标，最后通过虚拟仿真来验证自己的想法是否正确，摆脱了学生单单做完作业，而不知道到底学了什么的尴尬。最后通过师生研讨的形式，进行师生交流，提高了学生对冲压工艺及模具设计课程的掌握程度，改革了原来单独板书的教学模式，大幅提高了学生的学习效率与学习积极性。

(责任编辑：夏璐)

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Virtual Simulation of Stamping Used in Teaching Reform for Application Technology University

SUN Teng,WU Tong-feng,PAN Yu-chen

(Department of mechanical & ship engineering,Qinzhou University Qinzhou 535000, China)

The teaching pattern was reformed according to the traditional course of“ stamping process and die design ” which has many disadvantages such as abstracted form, complicated theory, less enthusiasm and so on. Combinations of multimedia and stamping theory , practical engineering case and virtual simulation experiment, stamping literature reading and student course-work were adopted in this new teaching pattern. It greatly aroused the course leaning interest of students ,cultivating the students' creativeand practical ability, enhanced the students' understanding of stamping process and the ability of die design.

stamping process；virtual simulation technology；teaching pattern;teaching reform for application technology university

G642

A

1671-9719(2016)8-0075-04

孙腾(1988-),男,助教，研究方向为CAD/CAE/CAM。

2016-05-24

2016-06-03

钦州学院教改项目(2016QYJGB39)；广西高校中青年教师基础能力提升项目(KY2016LX435)。