模具类课程虚拟仿真实验教学系统设计与实现

曹芳 肖光春

[摘 要]该研究结合模具类课程实验教学的实际情况，以塑料成型工艺及模具课程为例，设计开发出了虚拟仿真实验教学系统，可进行360度可视化交互式仿真。该虚拟仿真实验系统作为真实实验的有益补充，可以有效克服真实实验教学中实验项目和实验时间的限制，增强学生对注塑机以及塑料模具的直观认知，使学生掌握塑料制品的成型方法，熟悉注射成型工艺过程及参数。采取虚实相结合的实验教学模式，能激发学生学习相关知识的兴趣，培养学生的创新能力，实验過程效率高，教学效果显著，为模具类相关课程的传统实验教学改革提供借鉴。

[关键词]塑料成型工艺及模具;虚拟仿真;实验教学

[中图分类号] G642.0; TP391.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）08-0005-05

一、引言

塑料成型工艺及模具是普通高等学校材料成型及控制工程专业的主干专业课程，其理论性和实践性都非常强，主要讲授塑料的基本知识、塑料制品成型加工的工艺、塑料模具的基本结构和模具设计方法等[1]。该课程包括塑料注射成型实验和塑料模具拆装实验两个实验项目。实验要求学生了解热塑性塑料注射机加工工艺过程，包括模具与机床的关系，以及塑料塑化过程和温度、压力、时间三要素的作用与调整等，从而加深对塑料注射模成型过程以及注射模具的认识，为今后从事塑料模具设计工作以及处理现场问题奠定实践基础。

由于注塑机结构复杂（包含电器控制系统、液压系统、注射装置、合模装置、加料装置、加热系统、冷却系统等内容）、体积庞大并且价格昂贵，在实际操作中，学生无法直接观察到注塑机内部构造，如果出现失误，导致机器损坏，就会产生高额的维修以及维护费用。而且在一般的实验教学中，基本上是“一对多”的实验教学模式，实验项目和内容会受到限制，实验时间和学生的动手机会相对比较少，这就直接造成学生参与度低，难以保证每位学生的学习效果和操作技能训练 [2-4]，因此，形式新颖且利于开发学生智能的虚拟仿真实验教学手段就成为真实实验教学的有益的和必要的补充[5]。通过可视化数值仿真实验将比较复杂的实验项目进行演示，可以让学生对实验内容先有一个直观的认识，然后进行实验室真实实验，有助于学生将感性认识提升为理性认识。将这种虚拟仿真技术应用到实验教学活动中，坚持虚实结合的原则，可提升实验教学效果[6]。同时，依托虚拟现实、多媒体交互等信息化技术构建的高度仿真和系统化的虚拟实验环境以及实验教学资源，也满足了在信息化条件下学生能够自主学习、自主管理和自主服务能力培养的内在要求[7-8]。基于此，本研究针对塑料成型工艺及模具课程的两个实验项目建设了相应的虚拟仿真实验教学系统。

二、虚拟仿真实验系统功能

虚拟仿真实验系统应该涵盖实验教学大纲的要求和内容，并能结合学校的需求进行扩展和定制实验项目，以帮助完成真实实验教学为目标，力求实用、简洁和高效[9]。塑料成型工艺及模具课程实验教学虚拟仿真系统采用了先进的虚拟现实技术，建立了等比例、形象逼真的三维互动注塑机及注射模模型，对注塑机的每一个部件都实现了结构的360度可视化交互式仿真，满足局部放大、透视、剖面等要求。同时，对注塑机系统参数实现了三维化动态展示，对注射成型工艺过程进行三维化仿真模拟，让学生能够掌握注塑成型工艺过程，全方位了解注塑机的内部结构及工作原理，观察塑料零件注射加工动态过程，熟悉注射周期各步骤状况，包括预塑、注射、保压、冷却、开模、推出、取件、合模等工艺过程。

通过塑料注射成型实验虚拟仿真实验系统，学生还可以多方位观察模具与注射机的安装关系，了解模具定位方式、夹持方式、顶出原理、模具尺寸和注射机装模尺寸关系、喷嘴与浇口套尺寸关系等，并认识注射工艺参数，了解压力等参数在注射过程中控制的部位与原理及其对注射产品质量的影响。

塑料模具拆装实验虚拟仿真系统，所设计的三维注塑模具能够进行360度全方位立体观察，学生可以按照预设的拆装步骤依次虚拟拆卸及安装每个零件，拆装练习过程不会受到时间、地点的限制。通过反复练习虚拟拆装的过程，学生可以认识模具结构，熟知零件功能以及零部件相互之间的装配关系，熟悉模具零件的先后装配顺序及各装配工具的使用，从而达到熟练手动拆装操作的教学目的。

三、虚拟仿真实验系统总体结构

（一）塑料注射成型实验虚拟仿真系统总体结构

塑料注射成型实验虚拟仿真系统包含卧式注塑机简介、注射系统参数、锁模系统参数、卧式注塑机结构和注塑成型工艺五个板块，分别对结构、参数和工艺过程进行理论基础介绍、实验动态演示和虚拟仿真实验，如图1所示。每个板块又包含若干演示项目以及虚拟仿真实验项目，使得实验项目更加生动，更能够激发学生学习相关知识的兴趣。

（二）塑料模具拆装实验虚拟仿真系统总体结构

该虚拟仿真系统以真实课程实验中的摩托车后视镜盖注塑模具为例，进行虚拟仿真实验建设。该模具是一模两腔、双分型面注塑模，带有侧向抽芯结构，结构复杂。打开虚拟仿真实验系统程序图标，进入学生操作主界面，如图2所示。

塑料模具拆装实验虚拟仿真系统包括7个板块，分别为：准备工作、动定模拆分、定模拆分、动模拆分、动模组装、定模组装、整体组装。这7个板块也是进行整套模具拆装的步骤。

四、虚拟仿真实验系统设计

（一）塑料注射成型实验虚拟仿真系统

塑料注射成型实验虚拟仿真系统有以下5个板块及其项目。

1.卧式注塑机简介

这一部分为实验理论基础项目，主要展示某型号卧式注塑机的三维外形结构及其他型号卧式注塑机的二维结构，并通过文字详细介绍注塑机的外形特征特点。通过这一虚拟实验板块，学生可以观察并学习到不同型号注塑机的外形特征，以及与立式和角式注塑机相比卧式注塑机外形特征的优点和缺点。

2.注塑机注射系统参数

这一板块包含注射螺杆直径、注射螺杆长径比、注射行程、工程注射容量、工程注射量、最大注射速率、最大注射速度、注射压力、保压压力、射移行程、理论塑化能力、喷嘴头球面半径、喷嘴直径、射嘴接触力等14个子项目参数。

打开每一个参数，可以直观地看到此参数在注塑机三维结构上的表示，以及针对此参数的基础知识介绍，并且有与此参数相关的动作提示按钮，学生通过点击此按钮，就会看到与这一参数相关的三维动态仿真过程。比如在注射行程参数这一项中，点击射胶或者塑化按钮，学生就可以分别看到在剖视三维图状态下射胶和塑化的动态过程，如图3所示，仿真过程更加直观生动，实验效果明显。

3.注塑机锁模系统参数

这一板块的内容主要围绕注塑机锁模系统参数来展开，包括最大锁模力、模板尺寸、拉杆间距、定位孔直径、最大模厚、最小模厚、动模板行程、最大开距、顶出行程、顶杆直径、顶出力等11种参数的详细介绍。

打开每一个锁模参数，可以看到针对此参数的基础知识介绍，以及此参数在注塑机三维结构上的表示。例如，打开“动模板行程”，可以看到模具开模时，动模固定板随锁模机构的移动距离，如图4所示。通过此虚拟实验内容，学生可以认识模具定位方式、夹持方式、顶出原理、模具尺寸和注射机装模尺寸关系等。

4.卧式注塑机结构

这一板块以某型号卧式注塑机为例，360度全方位展示注塑机的三维结构，如图5所示。在进行注塑成型真实实验之前，学生可以通过这一虚拟仿真实验板块熟悉注塑机结构，每一内部结构都可以放大、缩小、旋转以及透视，便于学生进行全方位观察和了解，并且有对应的理论知识介绍。其中，注射系统和锁模系统有单独的三维结构模型，当把鼠标放在零件名称上时，在注塑机三维模型上对应的这一零件结构可以亮闪，并配有详细的说明文字，从而达到加深学生对注射系统结构和锁模系统结构认识的目的。

5.注塑成型工艺过程

这一板块主要介绍注塑成型工艺过程，包括塑化、计量、注射充填、保压、冷却、开模、顶出、合模过程，如图6所示。学生启动机床总电源按钮后进入动作模式，在每一个工艺过程下，都可以直观地看到三维动态仿真过程，通过控制动作按钮，可以多次、多角度、全方位观察塑料零件注射成型的整个仿真过程，熟悉注射周期各步骤状况，认识注射成型工艺参数。

例如在其中的注射充填过程，学生可以看到注塑机螺杆从料筒内的计量位置开始，通过注射液压缸和活塞施加高压，将塑化好的塑料熔体经过喷嘴和浇注系统快速进入封闭型腔的动态过程，如图7所示。

（二）塑料模具拆装实验虚拟仿真系统

塑料模具拆装实验虚拟仿真系统有以下7个板块。

1.准备工作

选择“准备工作”板块，系统会提示学生进行操作，将模具吊装到工作台上，并准备工具箱：一套六角扳手、防锈剂、一组铜棒、顶丝扳手、白线手套、顶针图等。

2.选择模具进行动定模拆分

选择“动定模拆分”板块，首先按提示选择适合的内六角扳手拆除锁模块，再选择铜棒进行动定模拆分，动定模拆分后的状态如图8所示。

3.定模拆分

选择“定模拆分”板块，按提示选择尺寸合适的内六角扳手拆除楔紧块，再选择合适的铜棒分别拆下两个斜导柱和浇口套，选择内六角扳手卸下连接两板的螺钉，将定模座板和定模板拆开，如图9所示。

4.动模拆分

选择“动模拆分”板块，选择内六角扳手拆下动模底板和两个垫板，选择内六角扳手和铜棒拆下推板，另一侧需其他同学用手扶住动模板并顶住复位杆，用铜棒依次敲下拉料杆、顶杆、复位杆，选择内六角扳手拆下支撑板，选择顶丝扳手拆下两个侧抽机构，选择内六角扳手拆开滑块和侧抽芯，选择铜棒敲下导柱。如图10所示。

5.动模组装

选择“动模组装”板块，依次组装动模板、导柱、滑块、侧型芯、支撑板、推板、复位杆、顶杆、拉料杆、推板固定板、垫块、动模座板。安装完成如图11所示。

6.定模组装

选择“定模组装”板块，依次组装定模座板、定模板，斜导柱、浇口套、楔紧块，如图12所示。

7.整体组装

最后选择“整体组装”板块，整体组装前用防锈剂喷型芯型腔表面，然后将动模部分和定模部分组装到一起，并用锁模块锁紧，如图13所示。

五、结语

本文介绍了塑料成型工艺及模具课程的虚拟仿真实验教学系统在实验教学中的应用。该系统主要包括两个实验项目，塑料注射成型实验是高成本和高消耗且实验过程相对比较复杂的实验项目，而模具拆装实验会受到实验地点和实际拆装次数的限制。因此，结合多媒体、计算机和虚拟现实等技术的发展，建设了相应的虚拟仿真实验教学系统，提升了真实实验的教学效果，同时延伸了课堂理论教学的功能，是模具类相关课程实验教学模式的探索和改革。学生通过该虚拟仿真实验系统，可增强对注塑机以及塑料模具的认识，掌握塑料制品的成型方法，了解注射成型工艺过程及参数，能够学会对注塑成型过程及模具设计中可能出现的问题进行分析与预测，提高实际动手能力。该虚拟仿真实验系统不但推动了实验教学的信息化建设，也使学生接受到了更加系统的创新训练，使学生的独立工作能力和创新能力得到了提升，实验过程效率高，教学效果显著。

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[责任编辑：庞丹丹]