沖壓成形虛擬仿真在應用技術大學教學改革中的應用

孫　騰,吳彤峰,潘宇晨

(欽州學院　機械與船舶海洋工程學院,廣西　欽州　535000 )

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沖壓成形虛擬仿真在應用技術大學教學改革中的應用

孫騰,吳彤峰,潘宇晨

(欽州學院機械與船舶海洋工程學院,廣西欽州535000 )

針對沖壓成形工藝及模具設計課程教學過程中具有表現形式抽象、理論紛繁復雜、學生聽課積極性不高等問題，提出了采用多媒體教學與理論知識相融合、實際工程案例與虛擬仿真技術相融合、文獻閱讀與課程作業相融合的教學模式。有效地激發了學生的學習興趣，培養了學生的創新能力與實踐能力，增強了學生對沖壓成形工藝的理解與沖壓模具設計能力。

沖壓工藝；虛擬仿真技術； 教學模式； 應用技術大學教學改革

一、引言

沖壓成形工藝及模具設計是機械制造及其自動化(模具設計方向)教學中一門重要的理論基礎課，它包含塑性加工力學基礎、沖壓成形工藝方法、成形過程中常見的成形缺陷及沖壓模具設計等相關內容，要求學生能夠根據成形件的特點制定成形工藝流程及設計模具的方法，或能夠對工程中現有的工藝方案及模具實現優化設計。因此，沖壓成形工藝及模具設計課程的教學質量在培養學生分析問題、解決設計缺陷方面起舉足輕重的作用。傳統沖壓成形工藝及模具設計課程采取教師口頭講解沖壓成形原理，學生被動聽講卻不知實際生產過程中問題所在，這種傳統的教學模式因受到實際條件的限制，使原本枯燥的理論部分更加生澀難懂，師生之間缺乏交流，不利于學生對沖壓過程中出現的問題充分理解與分析，限制了教學效果的提高。

應用型大學本科教育著重培養能夠在一線勝任的應用工程師[1]。欽州學院作為教育部首批應用技術大學改革試點，歷來十分重視學生的實踐能力、設計能力和創新能力。在長期的教學過程中我們發現傳統“填鴨式”的理論教學已經滿足不了飛速發展的工業對人才培養的要求，教學中暴露出的各種問題嚴重制約了學生的創新與實踐能力，不能滿足應用技術型人才的培養。為了突破傳統教學效率低的瓶頸，達到應用技術型本科教育改革面向未來工程師的素質要求，項目組的成員充分利用互聯網資源、計算機虛擬仿真技術以及基于文獻閱讀法的課程作業對沖壓成形工藝教學模式進行改革，并初步取得了一定效果。本文將從多媒體教學與理論知識相融合、實際工程案例與虛擬仿真技術相融合、文獻閱讀與課程作業相融合的三步教學法來對沖壓成形工藝及模具設計課程教學方法進行探索和介紹。

二、傳統沖壓成形與模具設計教學過程中的問題

欽州學院沖壓成形工藝及模具設計課程共安排了67課時，其中有8課時是實驗課時。傳統沖壓成形課程受制于實驗條件、實驗課時的限制，人才培養途徑較為單一，缺少學生的實驗與創新平臺，對于鍛煉學生的創新性和實踐性顯得十分有限，很難從根本上激活學生的創造性思維[2-4]。而沖壓成形工藝及模具設計又是一門概念原理較多，學習起來較為枯燥，實踐性極強的課程，如不能生動地結合工程實例，很難做到理論聯系實際，更難培養出合格的應用技術人才。

以沖壓成形工藝中的拉伸工藝來說，就包括圓筒形件拉伸、盒形件拉伸、曲面零件成形等不同種情況，不同形狀的零件成形有不同的成形特點及與其相對應的產品缺陷，很容易造成學生概念上的混淆。以沖壓模具設計為例，對于如何制定沖壓件的工藝方案、毛坯尺寸的確定及生產過程中各種工藝參數的擇取都需要實踐經驗，這給理論教學帶來了一系列較為困難的問題，使教學成果大打折扣。針對沖壓工藝及模具設計課程，如何制定合理、高效的教學模式改善教學質量，如何與學生進行深入探討來拓展學生的學科視野，如何利用現有平臺充分發揮學生的創新思維并將其轉化為科技成果，成為了培養合格的模具設計師、優秀的應用技術型人才的當務之急。

三、應用多媒體、虛擬仿真技術、文獻閱讀鞏固提高理論教學效果

教學模式是教學理論和教學實踐的綜合體[5]。實驗心理學家赤瑞特拉的兩個實驗表明，采取多種不同教學模式來獲取同樣的信息量時，教學效果會有顯著的提高[6]。因此，針對目前欽州學院沖壓成形工藝及模具設計課程現狀，教研室采取了多媒體教學與理論知識相融合，實際工程案例與虛擬仿真技術相融合，文獻閱讀與課程作業相融合的教學模式來調動學生的積極性，加深學生對沖壓理論課的理解深度。以筒形零件的多次拉伸成形為例，實施了如圖1所示的教學模式，充分利用多種教學模式組合的優勢，將教學理論與教學實踐綜合在一起，提高了學生對沖壓成形課程的學習主動性與積極性，進而影響教學效率與質量。

圖1　三步法教學模式流程圖

1.多媒體教學與理論知識相融合

隨著信息化技術飛速發展，多媒體技術已成為現代大學課堂中普遍使用的技術之一，而如何將信息技術與課程中的理論知識相融合，成為應用技術型大學改革的關鍵[7]。在上理論課時，教師可以利用多媒體教學的高效率、高速度的特點，將實際生產中復雜的圖形、各零部件的運動軌跡以及理論課中繁瑣的公式推導，簡明扼要、活靈活現地呈現給大家[8]。

零件沖壓成形通常要經歷多道工序，如沖裁、彎曲、拉伸、脹形、翻遍，由于學生沒有充足的工廠經驗，很難想像其動態生產過程。本課題組將與板料多次拉伸成形有關的視頻資料、圖片等背景資料融入到課程的PPT中，通過將多媒體技術與理論知識相融合，對學生的多種感官進行刺激，促進學生高效率地獲取知識。

例如，以玉柴機油濾清器外殼成形為例，其實際生產裝備如圖2所示。通過將板料多次拉伸成形制作成視頻，幫助其了解板料多次成形工藝的生產過程，同時，教師可以在播放過程中隨時暫停，將關鍵的模具成形過程作重復播放并將其與塑性成形理論相結合，講解強調給學生，加深其對金屬塑性成形理論部分的理解與記憶。另一方面，身臨其境的教學環境激發了學生的學習積極性，達到了事半功倍的效果，在課時有限的情況下，有效提高了課堂上的教學效率。又如，生產一個復雜沖壓件大都需要經過多道工序，而如何制定效率高、經濟性好的工藝路線，成為困擾學生的一個難題，所以，通過錄制視頻，可以讓學生清晰、直觀地看到不同的工藝路線會對產品的質量產生什么樣的成形特點，使后續講述理論課難度明顯降低。通過多媒教學與傳統教學的有機融合，才能使得兩種教學相得益彰，最大程度地提高應用技術大學的理論課教學質量。

圖2　筒形件工程實際設備圖

2.實際工程案例與虛擬仿真技術相融合

在不斷深化自主創新精神，努力建成創新型國家的大背景下，虛擬仿真技術在提高高等教育質量上的作用正不斷凸顯[9]。隨著CAE技術的發展，虛擬仿真技術日趨完善，科學建設虛擬仿真實驗教學中心以突破傳統教學中時間空間以及實驗條件的限制已成為國家持續建設高水平應用技術型大學的重要目標。在沖壓成形及模具設計教學過程中，教師可以利用計算機技術構建高度仿真的虛擬流程和場景，并通過人機交互及網絡通訊等技術手段模擬工程中實際產品的加工工藝及零件的加工過程，通過虛擬教學，可以較大程度地減少實驗成本與實驗周期。同時，虛擬仿真實驗過程可控性強，當遇到學生不明白的地方，即可隨時進行重復操作且無任何安全隱患。通過虛擬教學可以很好地解決模具設計及工藝驗證生產周期長、成本高的缺陷。

圖3　筒形件多工步有限元模型

比如，為了使學生充分理解拉伸成形中材料的拉伸極限系數，以實際工程案例中玉柴機油濾清器外殼成形為例，其生產工藝擬采用外殼圓片料落料，三次拉伸及一次反拉伸工序，最后進行切邊整形的工藝路線，其成形過程較為復雜，如果通過教學儀器來進行教學實驗，還需配備多套模具及大量工程材料。從安全角度來考慮，學生未受過系統安全教育培訓，生產安全意識相對薄弱，進行沖壓實驗操作比較危險。虛擬仿真實驗通過DYNAFORM軟件建立多工步有限元模型對玉柴機油濾清器外殼正拉伸成形、反拉伸成形過程進行模擬，如圖3所示。根據模擬的結果有目的地對凸凹模具間隙、凸凹模圓角、壓邊力等工藝參數和模具進行優化，同時，也提高了學生對軟件的應用水平。圖4為第四步反拉伸成形的結果，從該軟件生成的動畫中，可以看到凸凹模的運動行程及產生缺陷時的動態過程，從最終的成形極限圖和減薄圖中可以得到沖壓件產生缺陷的位置及各位置的減薄具體數值。針對玉柴機油濾清器外殼成形的實際案例，并基于虛擬仿真技術進行設計分析，較大程度地提高了學生的積極性與主動性，有效地彌補了應用技術大學創新性、實踐性不足的缺憾。

圖4　筒形件成形極限圖和減薄圖

3.文獻閱讀與課程作業相融合

在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》中明確指出，高等教育要培養出適應于我國市場經濟發展，能夠勝任一線任務的創新型人才[10]。科技文獻的閱讀是科學研究的起點，也是培養學生創新思維的重要手段和必不可少的環節[11]。就培養應用型本科大學生來說，培養實踐能力尤為重要，但培養學生的創新思維也必不可少。文獻閱讀有利于促進學生了解科學發現的過程，培養學生的創新思維，提高學生的科研積極性。基于文獻閱讀法完成課后作業，可以讓學生理解為什么要這么做，怎么做才能達成目標，做出來的結果是什么。基于文獻法完成的課后作業可以將學生上課所學到的理論知識融會貫通，培養學生對沖壓成形及模具設計課程的學科興趣，并學以致用，最后通過虛擬仿真驗證自己的設想。下面列出板料多次拉伸所用到的文獻，如下表所示：

表　筒形件課程作業所需閱讀參考文獻

其中文獻1向學生展示了筒形件沖壓成形虛擬仿真過程中會遇到的問題，如何能夠順利建立筒形件的有限元模型；文獻2講述了沖壓成形工藝的設置；文獻3、4講述了工藝參數對筒形件成形的影響；文獻5則講述了筒形件的模具改進及設計方法；文獻6、7、8、9、10則講述了在不同工況、不同工藝條件下，筒形零件的成形特點及相應的缺陷改進措施，目的是拓寬學生的視野，讓學生更好地了解筒形零件成形的前沿技術，有利于學生不拘泥于書本知識，提高學生的創新性。因此，將課程作業作為載體，通過文獻閱讀法激活學生的創新思維，經過師生之間充分的研討并通過虛擬仿真實驗作為學生實踐的創新平臺，是沖壓類模具教學模式改革中必不可少的環節。

四、結束語

應用技術型大學沖壓成形工藝及模具設計課程改革不僅要求學生掌握扎實的理論基礎，還要求培養學生的創新思維與實踐能力。利用多媒體及互聯網豐富的聲音、運動圖像，使學生身臨其境一般體驗生產實踐中復雜的工藝流程。而實際工程案例與虛擬仿真技術相融合，生動、直觀地展示了課本上枯燥的知識，加深了學生對原理的認識，同時，也解決了教學缺少實驗的不足，提供了學生實現創新思維的平臺，更好地將理論知識融合到實踐生產過程中去，也提高了學生的CAE水平，迎合了企業數字化制造人才的需求。同時，基于文獻閱讀來完成課程作業，培養了學生的科研能力，更重要的是讓學生知道為什么要這么做，怎么做才能達成自己的目標，最后通過虛擬仿真來驗證自己的想法是否正確，擺脫了學生單單做完作業，而不知道到底學了什么的尷尬。最后通過師生研討的形式，進行師生交流，提高了學生對沖壓工藝及模具設計課程的掌握程度，改革了原來單獨板書的教學模式，大幅提高了學生的學習效率與學習積極性。

(責任編輯：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

孫騰(1988-),男,助教，研究方向為CAD/CAE/CAM。

2016-05-24

2016-06-03

欽州學院教改項目(2016QYJGB39)；廣西高校中青年教師基礎能力提升項目(KY2016LX435)。