基于產(chǎn)品開發(fā)的創(chuàng)新工藝與模具設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)

摘 要 新產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新是企業(yè)的生命力，而高等院校人才培養(yǎng)要縮短與社會需要的差距，就要走出去、請進(jìn)來，讓學(xué)生更好地了解企業(yè)的新技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。由此，教學(xué)中選用創(chuàng)新的稻谷殼制一次性綠色環(huán)保碗的生產(chǎn)為案例，實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)，生產(chǎn)線上操作實(shí)踐，輔以課堂上分析、討論、解剖，理解、掌握其成型工藝和模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)，有益嘗試，收到良好效果。

關(guān)鍵詞 產(chǎn)品開發(fā)；創(chuàng)新工藝與模具設(shè)計(jì)；項(xiàng)目教學(xué)

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）06-0094-04

Abstract New product development and innovation is the vitality of the enterprise， and higher education personnel training to shorten the gap with the social needs， to go out， please come in， let students better understand the new technology， training students innovation ability， the teaching of rice shell system selection of innovative technology， the implementation of project teaching， the production line operation practice， supplemented by the analysis， discussion， understanding， master the forming process and die design of the difficult and innovative points， is a useful attempt， received good results.

Key words product development； innovation process and die design； project teaching

1 前言

高等教育在我國越來越受到重視，近20年來，不論規(guī)模還是層次梯級建設(shè)，都得到很大的發(fā)展。但是在培養(yǎng)過程中，人才質(zhì)量與社會需求矛盾也凸顯，如：教學(xué)方法單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性調(diào)動不夠；重視書本知識的教育，忽視實(shí)踐性教學(xué)；教學(xué)內(nèi)容落后于企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，教材內(nèi)容滯后于生產(chǎn)發(fā)展，往往是一本新教材剛編出來，一些新知識、新工藝、新方法、新產(chǎn)品又蜂擁而至，新知識的吸納和創(chuàng)新能力不夠；等等。這些都影響著人才培養(yǎng)的質(zhì)量，使得學(xué)生難以適應(yīng)社會的需要，就業(yè)難度增大。

項(xiàng)目式教學(xué)是一種教學(xué)體系，其項(xiàng)目可大可小，或含若干子項(xiàng)目，可用項(xiàng)目教學(xué)法、引導(dǎo)文教學(xué)法、頭腦風(fēng)暴法、思維導(dǎo)圖法等不同的教學(xué)方法，實(shí)施時(shí)可由一個(gè)或多個(gè)教師來完成。而項(xiàng)目教學(xué)法就是把一個(gè)相對獨(dú)立的項(xiàng)目中若干個(gè)任務(wù)，在教師的指導(dǎo)下，將項(xiàng)目任務(wù)交給學(xué)習(xí)小組，學(xué)生進(jìn)行信息的收集、方案的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施及最終評價(jià)，通過自主學(xué)習(xí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)獨(dú)立完成。項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，師生在學(xué)中做、做中學(xué)，學(xué)做結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動參與的積極性，以能力為本位，以行動為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)學(xué)生自主獲取信息、分析問題、制訂方案和解決問題的能力。

2 案例產(chǎn)品生產(chǎn)背景及選擇分析

《一次性綠色環(huán)保用品的制造方法》項(xiàng)目來源于已通過省級鑒定的應(yīng)用型成果，是基于環(huán)境保護(hù)、治理“白色污染”而尋找的一種替代品，即用可完全降解的稻谷殼制作一次性綠色環(huán)保碗，替代發(fā)泡型快餐具。該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝與方法申請了國家發(fā)明專利，其加工設(shè)備也獲得多項(xiàng)實(shí)用新型專利，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外的銷售。

稻谷殼制一次性綠色環(huán)保碗如圖1所示，產(chǎn)品顏色為稻谷殼本色——金黃色，有質(zhì)感，美觀漂亮。

從產(chǎn)品圖2可知其設(shè)計(jì)尺寸，其厚度大約為1 mm，碗徑?128 ㎜，弧面為R70 ㎜，要求：弧面與碗口、底部園弧平緩過渡，外形圓滑，碗口平整無毛刺，無變形，使用安全。

從圖紙分析上看，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡單，如用金屬或塑料材料成型，生產(chǎn)工藝與模具設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，但其材料為稻谷殼——即將稻谷殼等植物纖維經(jīng)過細(xì)磨成300目左右粉，摻一定比例的粘結(jié)劑、輔助劑等材料。由于其材料特殊性，加上市場上也沒有同類材料的產(chǎn)品，更沒有生產(chǎn)的工藝和裝備，因此，產(chǎn)品的成型工藝與模具開發(fā)具有創(chuàng)新性。因此，技術(shù)人員通過攻關(guān)，創(chuàng)新開發(fā)了《一次性綠色環(huán)保用品的制造方法》和與之配套的生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保碗的生產(chǎn)與銷售。通過技術(shù)延伸開發(fā)，同時(shí)生產(chǎn)了以稻谷殼等為原料的相關(guān)環(huán)保產(chǎn)品。

在高職模具專業(yè)教學(xué)中，材料成型工藝與模具設(shè)計(jì)以塑料和金屬材料為例進(jìn)行教學(xué)，而將《一次性綠色環(huán)保用品的制造方法》項(xiàng)目中稻谷殼制一次性綠色環(huán)保碗的生產(chǎn)作案例，引入課堂，以其生產(chǎn)工藝和模具設(shè)計(jì)為課題設(shè)置項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)是一種有益嘗試。學(xué)生通過到企業(yè)參觀學(xué)習(xí)，進(jìn)行生產(chǎn)性實(shí)習(xí)，分析、解剖和討論其生產(chǎn)工藝和模具設(shè)計(jì)，完成項(xiàng)目設(shè)置任務(wù)，了解、掌握其新工藝、新知識、新技術(shù)，能夠達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，深化教學(xué)改革。

3 項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施

教學(xué)目標(biāo)與要求 學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)，學(xué)做結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和主動參與的積極性；以能力為本位，以行動為導(dǎo)向，以學(xué)生為中心，充分運(yùn)用課堂上所學(xué)的基礎(chǔ)知識，解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生自主獲取信息、分析問題、制訂方案和解決問題的能力；吸納案例中的新工藝、新知識、新技術(shù)，培養(yǎng)師生的創(chuàng)新與開發(fā)能力。

學(xué)前要求學(xué)生具備和掌握冷沖壓和塑料成型工藝及其模具設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識；實(shí)習(xí)企業(yè)提供必要的場地和生產(chǎn)機(jī)臺、工裝準(zhǔn)備，配備一定數(shù)量的工程技術(shù)人員作為實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師跟蹤指導(dǎo)。

教學(xué)組織與實(shí)施 一個(gè)自然班級分成若干小組，每組5～7人；每組都要完成學(xué)前準(zhǔn)備、參觀見習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、工藝分析、模具設(shè)計(jì)和評價(jià)報(bào)告等項(xiàng)目學(xué)習(xí)任務(wù)；項(xiàng)目學(xué)習(xí)指導(dǎo)由學(xué)校和企業(yè)教師共同承擔(dān)，其中工廠指導(dǎo)教師不少于兩名，每組至少有一名教師跟蹤指導(dǎo)；教學(xué)課時(shí)為兩周，約60課時(shí)（具體安排見表1）。

4 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

產(chǎn)品原料為農(nóng)作物的廢棄物如稻谷殼等植物纖維，開發(fā)再利用，無成熟的工藝技術(shù)和設(shè)備，開發(fā)創(chuàng)新成型工藝是產(chǎn)品上市生產(chǎn)的關(guān)鍵。通過技術(shù)人員艱辛努力、反復(fù)試驗(yàn)，創(chuàng)新開發(fā)了有別于傳統(tǒng)的冷沖壓及塑料成型工藝的一種新的冷沖壓縮模塑成型工藝：落料、預(yù)拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序復(fù)合成型，并根據(jù)其工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)成型模具。通過實(shí)習(xí)，了解其成型工藝和模具技術(shù)具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性，這也是案例項(xiàng)目教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

產(chǎn)品成型工藝確定 通過前情學(xué)習(xí)及分析，學(xué)生掌握了塑料成型工藝和冷沖壓成型工藝。塑料成型工藝是指在一定溫度和壓力下將塑料原料放置在特定的設(shè)備中進(jìn)行熔化、塑化，通過成型機(jī)注入模具型腔中，冷卻成型取得產(chǎn)品的過程，有注射成型、壓縮成型、壓注成型、擠出成型、吹塑成型、發(fā)泡成型等。根據(jù)成型方法不同分為注射模、壓縮模、壓注模、擠出模頭、吹塑模和發(fā)泡模等。而冷沖壓成型工藝是指在室溫下，采用合適的模具，通過壓力機(jī)將金屬材料或非金屬材料片，沖壓分離或產(chǎn)生塑性變形而獲得產(chǎn)品的過程。沖壓工藝分分離和成形兩大部分，其中分離工序主要有沖孔、落料，成形工序主要有彎曲、拉深、整形、修邊等工序。根據(jù)工序不同，有沖孔模、落料模、彎曲模、拉深模、整形模等，這些工序可組合，從而形成單工序模、復(fù)合模和級進(jìn)模。

該項(xiàng)目中的綠色環(huán)保碗是用細(xì)磨成粉的稻谷殼等植物纖維，摻以粘結(jié)劑、輔助劑，通過專用設(shè)備加工成質(zhì)地均勻、結(jié)構(gòu)緊密、表面光滑、有一定柔軟度和韌性的片，壓力機(jī)作用下加工而成，很自然可以考慮采用沖壓成型工藝。材料中含有一定的水分（約10%），有利于產(chǎn)品模塑成型，但產(chǎn)品的干燥沒有在模具中進(jìn)行。一是不會出現(xiàn)模溫高而變色，從而保持產(chǎn)品的金黃色；二是克服升溫、降溫而產(chǎn)生的能耗，從而降低成本。因此可采用冷沖壓工藝。材料具有一定的收縮率和流動性，拉伸率很小，僅用冷沖壓工藝并不能解決所有問題，還要結(jié)合塑料壓縮模塑等工藝。通過無數(shù)次實(shí)驗(yàn)，在其成型工藝中保留了沖壓成型工藝中預(yù)拉抻、落料、沖壓、切邊等基本工序，同時(shí)利用料片的收縮和流動的特點(diǎn)，采用塑料模塑成型中壓縮、保壓等工序，很好地解決了材料的拉伸率小、易開裂的缺點(diǎn)，實(shí)踐證明，成型工藝可行。最后，成型工藝確定為落料、預(yù)拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序，用冷加工方式，稱為冷沖壓縮模塑成型。

模具設(shè)計(jì) 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝擬定后，設(shè)計(jì)其生產(chǎn)模具將至關(guān)重要。技術(shù)人員通過反復(fù)研究、試驗(yàn)，設(shè)計(jì)一副生產(chǎn)用模具，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一次成型。其工作原理如下。

1）預(yù)拉伸：片料由人工送至托料刀圈6上，凹模8上行，凸模芯5在重力作用下最先與料片接觸送片進(jìn)型腔。

2）落料：凹模上行，落料圈2與托料刀圈6耦合完成落料。

3）切邊：凹模繼續(xù)上升，碗坯料在凸模芯和托料刀圈的作用下均勻地進(jìn)入型腔，當(dāng)凸模4與凹模接觸偶合，切刀圈3將與凹模偶合，完成切邊。

4）成型：與此同時(shí)，凸、凹模在高壓下對碗坯料進(jìn)行擠壓成型。

5）模塑：坯料在凸模、凹模、切刀圈形成的一個(gè)密閉型腔內(nèi)，在強(qiáng)大的外力下進(jìn)行保壓，坯料有拉伸、壓縮、流動。

成型過程難點(diǎn)解析 稻谷殼制料片在模具內(nèi)成型成碗，要完成落料、預(yù)拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序，工藝復(fù)雜，其成型工藝結(jié)合了塑料成型工藝和冷沖壓工藝；用一付模具完成，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且要精準(zhǔn)，這是產(chǎn)品創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝創(chuàng)新和模具設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，也是教學(xué)的難點(diǎn)。為了更好地掌握產(chǎn)品生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品成型與模具的關(guān)系，幫助學(xué)習(xí)和理解，將材料在模具內(nèi)成型的一個(gè)工作循環(huán)的工作壓力、行程和工作時(shí)間關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)圖和成型過程關(guān)系圖以及生產(chǎn)實(shí)習(xí)，了解到碗坯在模具中轉(zhuǎn)變過程如下：

1）t0—t1時(shí)段，模具進(jìn)行合模，壓力小，合模速度快；t0時(shí)，送片進(jìn)型腔；

2）t1—t2時(shí)段，材料進(jìn)行預(yù)拉伸，凸模芯先接觸并帶動料片均勻送進(jìn)型腔；t1時(shí)，模具的落料圈與托料刀圈偶合落料；t2時(shí)，切刀圈與凹模偶合切邊；

3）t2—t3時(shí)段，料片冷擠壓，碗初步成型，這時(shí)模具的位移量小，行程s與時(shí)間t呈非線性函數(shù)；沖壓力迅速上升，升至最大值后進(jìn)入保壓時(shí)間；t3時(shí)，碗坯成型保壓；

4）t3—t4這段時(shí)間，碗坯成型最復(fù)雜，碗坯在高壓下擠壓，材料有流動、粘合、壓縮，模塑整形和定型；t4時(shí)，開模，卸壓；

5）t5時(shí)，成型結(jié)束時(shí)間，取出成型碗，t5成型結(jié)束完成一個(gè)工作循環(huán)。

5 教學(xué)總結(jié)與評價(jià)

項(xiàng)目教學(xué)中，教學(xué)總結(jié)與評價(jià)是檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果和能力提升的重要環(huán)節(jié)，除了評價(jià)教學(xué)常規(guī)如考勤、態(tài)度、作業(yè)等內(nèi)容以外，重點(diǎn)是學(xué)生在項(xiàng)目教學(xué)中收獲和不足、各小組積極參與度，教師要與企業(yè)指導(dǎo)教師共同參與評價(jià)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生在總結(jié)與評價(jià)中收獲了生產(chǎn)安全知識、團(tuán)隊(duì)合作精神，更收獲了新產(chǎn)品、新技術(shù)，提升了創(chuàng)新能力。

工藝創(chuàng)新 新產(chǎn)品生產(chǎn)中使用稻谷殼等植物纖維，為適應(yīng)新材料特性且有別于塑料成型和冷沖壓成型，而創(chuàng)新開發(fā)一種新的冷沖壓縮模塑成型工藝：落料、預(yù)拉伸、成型、切邊、壓縮整形、脫模等工序一次復(fù)合成型工藝。

模具創(chuàng)新 根據(jù)開發(fā)的新工藝，設(shè)計(jì)適應(yīng)于生產(chǎn)的模具，其創(chuàng)新點(diǎn)主要有：1）凸模芯起預(yù)拉伸的作用，解決了材料拉伸性能不好的特點(diǎn)；2）托料刀圈可以便于料片更好地、均勻地進(jìn)入型腔；3）落料圈與托料刀圈、切刀圈與凹模的配合，一次復(fù)合了落料、切邊、整形等工序，減少工藝流程和模具數(shù)量，縮短成型時(shí)間；4）落料圈與托料刀圈、切刀圈與凹模的配合起定位導(dǎo)向的作用，減去定位、導(dǎo)向零件的設(shè)計(jì)和加工，簡化了模具的結(jié)構(gòu)；5）采用冷沖壓、壓縮和模塑一次成型，簡化工藝流程，減少能耗，降低了成本。

6 結(jié)束語

通過對稻谷殼制一次性綠色環(huán)保碗生產(chǎn)案例實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生下企業(yè)體驗(yàn)學(xué)習(xí)，分析、解剖和討論一次性綠色環(huán)保用品的制造方法、其他產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和模具設(shè)計(jì)，加深師生專業(yè)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)、鞏固與提高，圓滿完成項(xiàng)目教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，學(xué)生在教學(xué)中了解企業(yè)文化，懂得團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)踐中吸納新知識、新技術(shù)，提高產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新能力，以達(dá)到教育之目的，進(jìn)一步縮小他們與社會需要之間的差距，提高就業(yè)的競爭力。

參考文獻(xiàn)

[1]葛立，吳靜.綠色環(huán)保碗成型工藝的研究及模具設(shè)計(jì)[J].模具技術(shù)，2003（4）：39-41.

[2]劉曉歡，向麗.高職教育的“雙證”課程及其開發(fā)策略[J].職教論壇，2008（6）：13-16.

[3]趙昕.工作過程知識導(dǎo)向的職業(yè)教育課程開發(fā)[J].職業(yè)技術(shù)教育，2007（7）：45-47.

[4]李學(xué)鋒.塑料模設(shè)計(jì)及制造[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[5]翁其金.冷沖壓與塑料成型[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.