模型和实物并重的系统化模具专业综合实验研究

赵昌葆，贺 平，高铁军，张汉茹

（沈阳航空航天大学 航空宇航学院，辽宁 沈阳 110136）

1 概述

技术进步、产业升级和经济、社会的发展，对高等教育提出了更高的要求，高校必须与时俱进、主动求变，全面提高人才培养质量。对于工科高校而言，综合运用专业知识创新性地解决工程实际问题的能力，无疑是工科学生必须具备的核心能力，而实践教学环节则是培养这种能力的关键[1-2]。

1.1 模具专业综合实验的作用

模具作为一种重要的工艺装备，广泛应用于航空、航天、船舶、兵器、交通和轻工等众多领域，模具设计制造直接关系到产品的性能，其工作效能取决于坯料性能、成形条件、模具构型及设备状况等多种要素，诸多要素“耦合”在一起形成一个系统，模具成形制件属于典型的工程问题。解决模具成形制件的问题，需要借助成形理论、板料性能、制造工艺、设备原理等方面的专业知识以及相关平台工具，更离不开对成形过程的整体把握和专业知识的综合运用，既要着眼全局和综合考虑，又要权衡决策和研判关键，这就对模具人才的培养提出了很大的挑战。

模具专业课程为学生解决工程实际问题提供了某一方面的知识，专业课程包含的课程实验通过实例演示和实物验证加深了学生对某一门类课程中基本概念、原理和方法的理解，只是针对模具成形制件的某一环节，无法将该过程作为一个系统进行综合分析和通盘考虑。生产实习侧重于了解模具制造企业的实际产品系列、生产布局、制造流程、工艺方法、工具设备和物料类型，以及现场的各种加工、检验、处理和传送等环节，实现了课堂知识由“抽象”到“形象”的转变，将学生对专业的认知与现场的实物联系起来。但企业面向市场需求组织生产活动具有很大的不确定性，很难提供符合教学要求的工程案例和学习实例。因此，在学生基本完成专业课程学习的基础上，开展覆盖制件成形全过程的专业综合实验，借助于认知、分析、规划、设计、实践、验证等方法，综合运用各种软硬件工具和实验设备，学生通过思考、动手、讨论、交流和协作，解决工程实际问题，是培养学生实践能力和创新能力的重要环节。

1.2 模具专业综合实验的现状

市场对综合型高素质专业技术人才的需求不断增加，突出实践能力和创新能力培养的专业综合实验作用更加明显。为了提高模具人才的质量，相关高校采取了多种方法改进和完善模具专业综合实验，主要表现在两个方面：一方面，随着数字化技术的发展，广泛开展数字化实验和虚拟实验，例如模具结构的虚拟拆装、模具工作过程的动作仿真，以及模具虚拟实验平台等[3-6]；另一方面，由单点孤立实验发展为综合集成实验，例如模具数字化综合实验、模具设计制造和产品成形综合实验等[7-10]。数字化实验和虚拟实验通过实物模型化和过程虚拟化，在扩展实验容量、降低实验成本、激发学生自主学习等方面起到了明显的作用，但在教学效果方面存在不足[11-12]。对于模具成形制件这样典型的工程问题，模型和虚拟过程的局限性如下。

（1）模型和虚拟过程只是近似于实物和真实过程，无法客观地反映真实情况，甚至存在较大的偏差。学生无法从工程细节中发现问题并解决问题，不利于形成严谨求实的工程思维方法。如坯料模型可以描述坯料的形状尺寸和成形性能参数，但无法反映坯料的厚度公差和边缘质量等；模具模型可以描述模具的结构组成和凸凹模几何参数，但无法反映模具的制造精度和凸凹模的表面状态等。而这些因素在工程实际中非常重要，影响制件成形质量。因此学生不仅要理解模型和虚拟过程本身，清楚建模的前提条件，而且要善于洞察近似忽略的问题，以及工程问题的解决方法，最终还要回归实践。

（2）模型和虚拟过程主要通过计算机和网络传递视觉信息，但实际的制件成形过程涉及物质、信息和能量三个方面，其中坯料、模具和设备不仅具有几何和运动属性，而且具有强度、硬度、韧性、润滑、导热、腐蚀等多方面理化特性，还涉及毛坯状态、加工误差、表面质量、装配精度和操作水平等方面的制造特性。实践教学除了动眼，还要动手、动脑，观察坯料的纤维方向和断面形态，触摸零件的加工纹理和光洁程度，体验手工装配敲击的力度，感知压力机工作时的振动，识别摩擦生热后制件的颜色和气味。这些是制造过程的重要信息，只有通过实物加工，学生才能全面感知和理解制造的本质，逐渐形成工程直觉。

（3）模型和虚拟过程具有固定的模式，相同的操作得到的结果完全相同，而工程问题由于涉及的因素很多，具有很大的不确定性，相同的结果极少重现，这也是工程问题复杂性的重要原因之一。唯有加工对象实物和真实的加工过程，才能反映特定加工方法的实质，只有准确判别各种因素对加工过程的影响，才能揭示制造规律，这是一个“探索—发现—验证—再探索”的循环，不仅适用于工程规律的探索，而且适用于工程系统的构造。该环节对于培养学生的创新能力具有不可替代的作用，给定的模型和虚拟过程显然无法获得上述效果。

2 模具专业综合实验设计

2.1 实验背景

模具专业综合实验是在学习塑性成形、钣金工艺、冲模设计、模具制造和成形设备等专业课程（包括课程实验），以及计算机辅助设计、制造和工程分析的基础上开设的综合性实践教学项目。通过上述课程学习，学生已经理解材料塑性成形的力学基础及板料性能对塑性成形的影响，掌握零件成形的工艺方法及成形过程中材料的流动情况和应力应变分布，能够针对简单钣金零件设计成形模具结构及主要零部件，并制订模具的制造和装配方案，理解塑性成形设备的工作原理和结构组成，同时掌握了零部件及装配体的三维造型方法，以及对典型零件的塑性成形过程进行仿真的方法。

模具专业综合实验旨在通过实物场景使学生形成钣金零件加工的感性认知，建立相对完整的成形加工系统概念，了解坯料、模具、设备之间的相互作用关系，理解改善成形制件质量所采用的常用工程方法，掌握综合利用专业知识和技术手段解决工程问题的能力。

2.2 实验内容

模具专业综合实验的教学时间为2周，包括“模具拆装与结构认知”“模具设计与三维造型”“零件加工与模具装配”“设备使用与模具安装”“制件成形与分析调整”及“制件测量与模型重建”等6个模块，各模块的实验条件、实验方式及时间如表1所示。

表1 模具专业综合实验模块

为了全面反映成形系统的各个环节，采用凸缘筒形件及其拉深模具作为实验对象，说明钣金零件制造过程。

（1）模具拆装与结构认知。该模块通过冲裁、弯曲、拉深等模具实物说明模具的动作序列和执行机构，实现这些动作的零部件及其空间关系和连接配合方式，主要包括用于支撑、导向、定位、成形、出料和固定等作用的零部件，标准件的类型和自制件的典型结构，模具零件的常用材料。模具实物中存在不可拆连接，由教学模具替代完成拆卸和重装，同时提供在通用CAD软件平台上开发的模具虚拟拆装功能模块。

（2）模具设计与三维造型。该模块确定钣金零件的制造方案，通过工艺计算得到成形工艺参数、凸凹模的尺寸和毛坯大小，依据钣金零件的技术要求，参照设备规格，拟定模具结构方案，选定标准模架和其他标准件，确定自制零件的材料和尺寸、公差，建立模具零件及装配体的三维模型，模架和标准件模型从通用CAD软件平台上开发的模型库中直接调用。

（3）零件加工与模具装配。在先修的“金属加工实训”中完成机械加工和数控加工认知的基础上，该模块采用电火花线切割机床进行钣金零件毛坯的外轮廓叠层切割，采用电火花成形加工机床进行凸模与凹模加工，采用普通机床进行成形电极切削加工，选用购置的标准模架进行手工装配，成形零件采用机械连接，采用光学观察法保证凸凹模间隙均匀。

（4）设备使用与模具安装。该模块通过设备实际运行和设备模型动作仿真说明曲柄压力机和液压机的工作原理、运行机构和性能特点，阐明成形设备参数对工艺方法、模具尺寸、制件大小和加工载荷的限制，说明模具在设备上的定位和紧固方法。压力加工设备须由专门的实验教师操作，学生可以对仿真软件进行自主设置和运行。

（5）制件成形与分析调整。该模块通过不同的制造方案说明坯料、模具、设备和工艺条件对成形过程的影响，培养学生综合运用专业知识解决工程问题的方法。模块中设置了坯料、模具、压边装置、润滑条件、设备参数等5个因素进行对比实验，制件成形影响因素分析与调整如图1所示。同时提供塑性成形过程仿真的分析环境。通过调整不同因素改变成形过程，分析各种因素对成形过程的影响，通过成形仿真预测制件的成形质量，通过实验过程验证仿真结果的合理性。

图1 制件成形影响因素分析与调整

（6）制件测量与模型重建。该模块采用三坐标测量机测量成形制件上的一组特征点，将测量结果与钣金零件的三维模型的特征点进行比对，得到制件的尺寸和外形误差。通过大面积测量获得点云数据，将点云拟合生成近似曲面，曲面加厚生成近似的零件实体模型。通过“设计三维模型→制件实物模型→测量三维模型”，实现数字化制造闭环控制。

2.3 实验要求

模具专业综合实验采用实物过程演示、实际动手操作以及软件建模和仿真相结合的方法，将“实践→课堂→实践”的学习途径映射为“实物→模型→实物”的认识模式，实现了知识基础、教学内容和能力目标的匹配，强化了学生对专业基础课和专业课中所学的概念、原理和方法的理解，获得“制造系统”的感性认识和直观体验，将各知识点通过解决工程问题联系起来建立系统的专业知识体系。通过使用专业软件，对比模型和实物、虚拟过程和真实过程之间的差异，加深学生对工程问题的理论建模思路和实际解决方法的理解。模具专业综合实验教学内容、对学生的能力要求及支持各实验环节的知识基础三者之间的对应关系如图2所示。

2.4 模块关系

图2 实验内容、能力要求和知识基础之间的对应关系

图2 中的实验内容模块的顺序符合钣金零件的实际制造逻辑，各模块之间相互联系，模拟了实际制造工程过程中各技术环节之间的协调和配合，再现了各工程任务之间的“输入”“约束”“支撑”和“反馈”关系。模具专业综合实验任务模块之间的联系如图 3所示（其中实线和实线框表示实物，虚线和虚线框表示信息）。模块1（模具拆装与结构认知）根据模具功能要求“输出”模具方案，作为模块 2（模具设计与三维造型）的工程设计“约束”，模块2“输出”模具工程定义“反馈”给模块1；模块 2的“输出”作为制造依据也是模块3（零件制造与模具装配）“输入”，模块 3“反馈”给模块 2模具的制造工艺性；模块 4（设备使用与模具安装）作为模块2的设备能力“约束”， 模块2“反馈”给模块4模具与设备的适配性；模块2作为模块 5（制件成形与分析调整）的实现工具“约束”，模块5“反馈”给模块2设计调整信息；模块3“输出”模具实物作为模块 5成形过程的工具“支撑”，模块5“反馈”给模块3模具调整信息；模块4作为模块5的设备“支撑”，模块5“反馈”给模块 4设备调整信息；模块5“输出”制件实物作为模块6（制件测量与模型重建）的测量对象“输入”，模块 6“反馈”给模块 5制件几何信息。此外，模块 5还需要外部“输入”成形对象的坯料，并反馈坯料调整信息。

图3 实验内容各模块之间的联系

3 模具专业综合实验的实施

3.1 实验组织

模具专业综合实验的教学对象是飞行器制造工程专业钣金与模具方向的大四学生（三个班），将学生按照实验模块分为6个组，每组约15人，滚动进行，即第一组从模块 1（模具拆装与结构认知）开始，第二组从模块 2（模具设计与三维造型）开始……，依次推进。学生通过先修课程学习已经对支撑实验内容的相关知识有了一定的认识和理解，因此可以从任一模块开始学习。

模具专业综合实验实行完全开放式教学，包括讲解、演示、分析、操作（包括实物和软件）等环节，鼓励小组内部及小组之间的交流和协作，师生之间倡导自由讨论，具体方法如下。

（1）同组协作。如可以就一副模具展开协同设计，划分模具结构模块并确定接口后，分别完成相应的内容，发生变更时经由接口发出通知，直至完成模具设计；还可以就制件成形过程中的不同调整方法，比较不同的成形效果。

（2）组间交流。如模具设计组在设计之前可以向模具制造组的教师和学生了解某种制造方法对零件形状、尺寸和精度的限制，可以向成形设备组的教师和学生了解指定设备的装模要求和功率范围。

（3）综合讨论。每个小组完成全部模块的实验内容后，教师组织2 h的综合讨论，分析各种因素对钣金零件成形的影响，总结提高钣金零件制造质量的方法，比较各种模型和仿真的效果等。

3.2 成绩评定

模具专业综合实验采用结果和过程相结合的成绩评定方法，每个模块都留有一定量的课后作业，用于巩固基本知识，或查阅、分析资料，对课堂知识进行拓宽和加深，以报告的形式提交，作为结果评定的依据。过程评定的一方面是考查课堂实践的完成质量，例如模具实物重装的正确性，模具结构设计、制造方案的合理性，成形失效调整方法的可行性等，它们比较客观地反映了学习效果，同时也为教学环节的持续改进指出了方向。过程评定的另一方面是考查学生学习的主动性、对工程问题的敏感性、问题解决思路的创新性以及与学生之间的协作性等课堂表现。工程问题本身具有开放性，解决方案不唯一，要求学生思维开阔，并能够进行多方面协调；思维品质和职业精神的培养，是塑造未来创新型工程师的重要内容。

每个模块的成绩均由课后作业、课堂实践、课堂表现等三个部分组成，模具专业综合实验总成绩由 6个模块按照学时占比加权平均所组成。

4 效果分析

模具专业综合实验采用模型和实物相结合的系统化方法，再现了数字化条件下钣金零件的制造过程。学生通过该实验环节的学习，初步建立了制造系统的概念，理解了坯料、模具、设备和工艺之间的内在联系，明确了模型和实物、虚拟过程和实际过程在解决工程问题中的作用，加深了对专业知识的理解，拓展了思考问题的维度，加强了在工程实践中发现问题并探索创新解决方法的能力。

飞行器制造工程专业钣金与模具方向两届的教学实践表明，学生经过该实验环节的学习和训练，提高了解决工程问题的分析能力和实践能力，增强了学习专业知识、探索工程实践的自信心和积极性。毕业设计中要求学生完成与课程设计（或课程实验）类型相同、要求更高的项目，如模具设计、模具制造方案制定、制件成形过程仿真等。绝大部分学生的完成质量较课程设计（或课程实验）有明显的提高，主要表现为模具结构的可行性、技术要求的明确性、零部件制造和装配的工艺性、制造方案的实用性、设备和模架选择的合理性以及对仿真结果分析的客观性。上述效果在学生答辩过程及提交设计论文中都有直观的体现，说明了模具专业综合实验模式的可行性。

5 结语

模具专业综合实验是飞行器制造工程专业钣金与模具方向重要的教学环节，将实验教学的内容配置成6个紧密联系的模块，既覆盖了大部分专业知识，又符合钣金零件的制造逻辑，便于建立制造系统的概念。采用模型和实物相结合的实验方法，可使学生将抽象思维和形象思维结合起来，从工程实践中发现问题，综合运用专业知识创新性地解决工程问题，达到教学大纲的能力培养要求，具有一定的推广性。