面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗設計與教學實踐

鄭 超， 宋立彬， 董桂偉， 欒貽國， 趙國群

（山東大學a.材料科學與工程學院；b.材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，濟南250061）

0 引 言

金屬板料沖壓成形是金屬塑性加工的基本方法之一，它是利用沖壓設備和模具對金屬板料施加壓力，使板料產生塑性變形或分離，從而獲得具有一定形狀、尺寸和性能的零件，廣泛應用在汽車電子、航空航天、能源動力、國防軍工等國民經濟重要領域的零部件生產。我國高等院校的機械類、材料類等專業一般均設有沖壓成形或類似課程。由于沖壓成形涉及到塑性成形原理、沖壓工藝、沖壓設備、沖壓模具、金屬板料性能等課程和知識點，信息量較大，各學校一般采取理論教學與實驗教學相結合的方式，以使學生系統掌握設備、模具和板料等沖壓成形三大基本要素。為著重培養學生的理論聯系實際能力、工程實踐能力、分析和解決問題的能力，實驗教學在沖壓成形教學中具有不可替代的作用，是實現課程教學大綱要求和專業培養目標必不可少的內容。從面向單一工藝類型、沖壓模具、沖壓設備或板料性能的認知性驗證性實驗，到涵蓋沖壓成形三大基本要素的綜合性設計性實驗，沖壓成形實驗項目的內容建設和質量提升一直是實驗教學人員關注的熱點。我校材料成形及控制工程專業結合專業培養目標和學科發展方向，著力推動金屬板料沖壓成形綜合實驗的內涵質量建設，開發和應用了一個面向生產全過程的沖壓成形綜合性實驗項目。本文介紹了綜合實驗項目的建設背景、建設思路，以貫穿沖壓件實際生產全過程為指導思想進行了實驗內容設計，通過連續7屆學生的教學總結了該實驗項目在教學實踐方面的成效和持續改進措施。

1 沖壓成形綜合實驗的建設背景和思路

1.1 金屬板料沖壓成形綜合實驗建設背景

金屬板料沖壓成形涉及的專業課程及知識點較多。以我校為例，密切相關的課程包括材料成形原理、材料成形技術、塑性成形模具、模具數字化設計基礎、模具現代制造技術、塑性成形CAE、汽車覆蓋件成形技術、材料性能與測試等近10門課程。各門課程安排有數量不等的隨堂實驗項目，但如何在掌握各門專業課零散知識的基礎上，進一步加以融會貫通、綜合運用，不僅是專業教師亟需完成的一項教學任務，也是“以學生為中心”培養模式的重要需求［1］，更是構建與經濟社會發展需求相適應的實踐教育體系必然要求［2］。我國高等院校材料成形及控制工程專業較早開展了這方面的研究和探索。夏薇等［3］圍繞工程應用型本科培養目標，以模具現實工程應用為背景，開發了創意塑料制品模具設計與制造綜合創新實驗，增強了學生的工程化意識。劉易凡等［4-5］在對模具專業綜合實驗教學面臨問題深入分析的基礎上，開發了“數控加工技術在模具制造中的應用”綜合實驗，實踐表明該綜合實驗具有良好的工程時效性、綜合性、創新性和挖掘與互補性，并進一步總結了模具專業綜合實驗課程教學的指導思想、實驗內容與實施措施等。羅紅梅等［6］以墊片、軸蓋、輸送鏈鏈板等典型沖壓件的成形工藝及模具設計作為實驗內容，將數值仿真軟件分析、沖壓工藝分析和模具設計有機結合開發了沖壓工藝及模具設計綜合實驗，實現了沖壓成形實驗課程教學的創新。俞芙芳等［7］針對塑料成形工藝及模具設計課程特點，以培養學生工程創新能力為主線，將模具相關課程的基本理論學習與工程實踐訓練結合，開發了多個綜合性實驗項目，并注意將實際生產中可能遇到的問題引入到綜合實驗環節，注重對學生的實戰訓練。劉東等［8］提出了以科研為導向的材料成形及控制工程專業綜合性實驗課程的建設思路，在綜合性實驗過程中，以教師科研項目為依托，由教師擬定實驗題目，以學生實驗為主、教師指導為輔完成綜合實驗，從而提高了學生的工程實踐能力和創新精神。綜上可見，如何設計、開發與實施綜合實驗項目是專業教師進行綜合實驗改革與探索的著力點，也是提升綜合實驗內涵質量、提高實驗教學效果的關鍵。但針對貫穿沖壓件實際生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗方面的探索仍較少或尚不系統，亟需開展這方面的教學研究工作。

值得注意的是，近年來以信息科學和網絡技術為代表的現代科技滲透到社會經濟生活的各個領域，虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫等信息化技術蓬勃發展和日趨成熟，為金屬板料沖壓成形綜合實驗教學的提質增效帶來新的機遇。我國高等院校材料成形及控制工程專業在模具虛擬拆裝［9-12］、模具機構設計虛擬實驗［13］、沖壓成形及模具虛擬實驗教學系統［14-15］等方面開展了富有成效的探索和應用，取得了很好的教學效果，顯示了虛擬仿真實驗教學模式特有的優勢。由于金屬板料沖壓成形具有沖壓成形過程快速而難以觀察、沖壓設備與模具結構復雜、操作過程不可逆且危險性較高，實驗成本和能耗高等固有特點，嚴重制約了實驗教學效果，導致學生能力和素質的培養不夠。因此，在綜合實驗內容設計與實施過程中引入虛擬仿真實驗教學，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，發展和實現實驗教學的信息化，既是國家對我國高等教育事業發展提出的新要求，也是專業綜合實驗教學模式深入改革的必然途徑。

1.2 面向生產全過程的沖壓成形綜合實驗建設思路

通過分析國內高校在金屬板料沖壓成形綜合實驗方面的教學現狀，以及結合我校材料成形及控制工程專業多年的實驗教學實踐，提出了面向實際生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗建設思路。

（1）以學生需求為中心，充分尊重學生在專業知識學習與應用方面的愿望需求。學生經過專業課程的學習及隨堂實驗項目的練習后，迫切希望有一個載體能夠融會貫通已學習的專業理論知識，從而深入理解沖壓成形的工藝方法，為即將啟動的畢業實習和畢業設計打好基礎。另一方面，通過讓學生了解沖壓產品全生產周期各環節，有助于形成全局性的專業視野，為大學畢業后走上工作崗位或繼續深造打好基礎。

（2）以問題為導向，著重提高學生理論聯系實際能力、工程實踐能力、分析和解決問題能力。金屬板料沖壓成形相關知識的消化吸收與合理運用，僅靠課堂理論教學是遠遠不夠的，而單一實驗項目僅能從個別知識點訓練學生的實驗技能。因此，綜合實驗的建設應針對金屬板料沖壓成形教學中存在的突出問題，結合教學大綱和培養目標進行實驗內容設計，重點是提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，提高學生開發新產品、新工藝的創新能力［16］。

（3）虛實結合，能實不虛，積極探索“真實實驗＋虛擬仿真實驗”相結合的教學模式。近年來虛擬仿真實驗教學的蓬勃開展，順應了網絡化和信息化時代的發展潮流，充分發揮了信息技術在高等教育教學中的作用，因此在綜合實驗內容設計及實施過程中，應重視虛擬仿真實驗教學資源的建設和使用，形成以真實實驗和虛擬仿真實驗有機結合為特征的完整的專業綜合實驗教學體系，從而有效克服真實實驗環境中的諸多限制，提升綜合實驗的深度和廣度，拓展實驗教學的空間和時間，激發學生自主學習的積極性［17］。

（4）以貫穿沖壓件實際生產全過程為指導思想，強化實驗內容的內在聯系。以典型沖壓件為實驗對象，綜合實驗應涵蓋從產品設計、工藝設計、模具設計、模具加工到產品制造的整個生產過程，使學生受到一次全方位、高強度、系統化的專業技能訓練。此外綜合實驗的內容設計與實施應突出“綜合性”特點，不能簡單地將多個零散的實驗項目堆砌在一起，而是通過一條主線串聯起各個實驗環節，并注意強化各實驗環節內容的聯系［18］。

1.3 金屬板料沖壓成形綜合實驗建設基礎

材料成形及控制工程專業是國家級高等學校特色專業、“卓越工程師教育培養試點”專業、教育部“專業綜合改革試點”專業、山東大學國際化建設專業。2014年首次通過工程教育專業認證，2017年再次通過工程教育專業認證。擁有專、兼職實驗教師61人，其中教授（級）27人，副教授（級）24人，講師（級）10人。本專業實驗室是山東省實驗教學示范中心——材料科學與工程省級實驗教學示范中心的重要組成部分，實驗室面積達3 000多m2，現有儀器設備1 000多臺套，價值4 200余萬元。其中，擁有剪板機、機械壓力機、液壓機、線切割機床、小型數控銑床等沖壓成形及模具制造設備。此外，部分專業教師在金屬板料沖壓成形工藝及模具技術方面的科研積累和研究成果，能夠直接應用或作為拓展知識融入到綜合實驗教學過程。上述基礎條件為開展面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗建設提供了有利支撐和條件保障。

2 面向生產全過程的沖壓成形綜合教案設計

2.1 實驗內容設計

結合材料成形及控制工程專業培養目標和金屬板料沖壓成形發展方向，以學生需求為中心，以沖壓成形實驗教學中存在的問題為導向，以貫穿沖壓件實際生產全過程為指導思想，確定了面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗內容體系，如圖1所示。

圖1 面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗內容體系

該綜合實驗包括9個實驗環節，要求學生選擇一個典型板料成形產品（一般為拉深件）作為實驗對象，由學生自主完成從產品設計、工藝設計、模具設計、模具加工到產品制造的整個生產過程。在每一實驗環節內容的設置上，既考慮了綜合實驗主線的內容需要，又兼顧相關專業課程知識的融會貫通目的。針對每一實驗環節，均設置有實驗考核內容，指導教師在預定的考核時間節點檢查學生的實驗完成情況，確保綜合實驗按時保質完成。此外，在綜合實驗內容設計時，強調虛擬仿真實驗教學資源的建設和使用。優先選擇真實實驗問題突出、建設要求迫切、教學資源基礎較好的實驗項目予以建設。每建設好一批內容，及時將該部分內容應用于綜合實驗教學中，并通過教學實踐和學生反饋，總結虛擬仿真實驗教學過程中存在的問題及需進一步完善的功能，從而對綜合實驗教學內容進行動態、持續豐富和改進，不斷提升綜合實驗教學水平。

2.2 實驗實施安排

與一般的認知性驗證性實驗項目相比，金屬板料沖壓成形綜合實驗內容顯著增多，且各個實驗環節環環相扣。如何在規定的時間內讓學生按時完成每個實驗環節內容，確保整個綜合實驗順利進行，是該綜合實驗實施需注意的關鍵問題。為此，在多年教學實踐基礎上，采取了多項切實可行的督促與保障措施：

（1）個人操作與團隊協作結合，促進個人實踐能力與團隊合作能力的雙提升。按照實驗環節的內容安排及工作量大小，將各實驗環節的實施方式進行劃分。其中，產品三維設計、成形過程分析、工藝方案確定、產品沖壓加工和產品質量檢測等環節由每名學生獨立完成；而原材料選擇、沖壓模具設計、零件數控加工和設備與模具調試則由實驗小組全體組員協作完成。對于團隊協作的實驗內容，由組長統籌安排每名組員的工作任務，全體組員在規定時間內通過交流、討論、分工、整合、改進等，最終完成實驗環節內容。

（2）以點帶面，預先培訓組長掌握實驗用軟硬件，再由組長帶領組員實際操作。金屬板料沖壓成形綜合實驗以學生為中心，由學生自主完成，教師主要是督促、引導、審核學生采用的技術路線和實驗方法，解決實驗中遇到的難題。然而，綜合實驗涉及的儀器設備及軟件較多，學生普遍不太熟悉或難以達到獨立操作的要求，這無疑會影響學生的綜合實驗進程。為此，在綜合實驗開始前，首先對實驗小組組長進行集中培訓，幫助組長掌握相關軟硬件的操作規程和安全注意事項。實驗進行時，再由組長帶領組員開展實際操作。

（3）虛實結合，以虛促實，利用虛擬仿真實驗教學軟件擴展實驗時間和空間。金屬板料沖壓成形綜合實驗以提高學生理論聯系實際能力、工程實踐能力、分析和解決問題能力為關鍵。受實驗室條件和實驗課程學時的限制，學生無法在每一實驗環節均通過操作真實的沖壓設備和模具，利用真實板料開展實驗。此時，通過在個人電腦上安裝虛擬仿真實驗教學軟件，學生能夠隨時、隨地開展實驗，顯著延長了有效實驗時間。采取虛實結合、以虛促實的教學方式，使一些做不了、做不好的實驗內容得以開展，從而克服了真實實驗教學中的諸多限制。

通過與山東山大華天軟件有限公司合作，先后開發了模具虛擬裝配和模具虛擬制造兩個較為成熟的虛擬仿真實驗教學軟件。以模具虛擬裝配實驗教學軟件為例，該軟件包括單工序模、復合模、級進模和汽車覆蓋件模具等多種沖壓模具的虛擬裝配實驗項目。借助該軟件，學生能夠應用三維交互技術練習典型沖壓模具的拆卸與安裝過程，并與真實沖壓模具相結合，從而更為深刻地熟悉模具結構和模具工作原理，形成了線上線下實驗教學密切結合的教學方式，提高了實驗教學效率。

（4）依據實驗室實際條件，以現有沖壓模具代替完成部分實驗環節內容。沖壓模具的加工周期一般較長，且成本高。如果對綜合實驗中學生設計的每套模具均進行加工制造，不僅實驗時間難安排，也無法保證實際沖壓生產的順利開展。因此，從教學實際出發，在零件數控加工環節，要求學生利用數控編程軟件生成主要工作零件的加工代碼，隨后只選擇一個零件在小型數控銑床上進行加工操作；在產品沖壓加工環節，學生使用實驗室現有的盒形件沖壓模具進行實際加工，依次通過下料、拉深和切邊，最終獲得沖壓件。

2.3 實驗考核方法

為全面評價學生綜合實驗的完成質量，結合各個實驗環節的內容與要求，建立了一套多層次分類考核評價標準，如表1所示。指導教師據此給出學生各個實驗環節的成績。

在綜合實驗完成后，要求以小組為單位，完成一份課程實驗報告。該實驗報告采取圖文并茂形式，需滿足以下要求：

（1）格式要求。實驗報告以科技論文形式撰寫，格式符合相關標準。

（2）內容要求。完整反映綜合實驗全過程，步驟清晰，結論正確。

（3）實驗總結。反映實驗的收獲、存在問題、建議。

該實驗報告完成后，由小組成員根據對實驗報告的貢獻大小相互打分，取平均分作為實驗報告環節的個人成績。指導教師根據學生各個實驗環節的過程表現、完成質量及實驗報告情況，最終給出每名學生的綜合實驗成績。對于零件設計有新意、模擬結果準確、工藝方案和模具設計合理、實際操作主動、報告書寫規范的小組，可適當擴大優秀比例。

表1 面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗考核方法

3 綜合實驗教學成效與改進

3.1 教學成效

面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗自開發后，從2011年開始已連續7年在專業綜合實驗課程面向材料成形及控制工程專業大四學生開放。為充分獲取學生對于綜合實驗的反饋信息，幫助指導教師不斷完善實驗內容，在實驗報告中要求學生單獨列出一節，說明自己參與綜合實驗的心得體會及對于綜合實驗進一步發展的建議。這種及時、主動、持續的學生反饋能讓實驗指導教師了解學生對于綜合實驗在內容設置、教學方法、考核標準等方面的看法和需求，將學生評價高的內容發揚光大，并不斷改進不足之處，從而讓綜合實驗處于持續改進、動態更新之中。從教學過程和課后學生反饋來看，綜合實驗取得了很好的教學效果。以下節選了3名學生對于綜合實驗的心得體會：

“通過專業綜合實驗課程，透徹了解并完整進行了以拉深工序為主的沖壓產品生產加工流程。運用計算機互聯網、UG和CAXA等CAD軟件、Dynaform等CAE軟件及實驗室提供的各種鋼板、儀器設備等，完成了產品市場調研、不銹鋼保鮮盒概念設計、原材料性能測試、不銹鋼保鮮盒沖壓工藝設計、成形過程數值模擬、成形模具結構設計、沖壓模具虛擬加工、虛擬裝配、沖壓產品制造全過程。加深了對材料成形原理、材料成形工藝、機械制圖、塑性成形CAD、塑性成形CAE等課程理論知識的理解，并提高了理論聯系實踐能力，構建起完整的材料塑性成形加工理論體系，熟悉了工業實際生產過程中的各生產環節，為今后步入與材料成形相關的科學研究領域及工作崗位打下理論和實踐基礎。”（摘自2017級實驗報告）

“通過專業綜合實驗這門課，對于沖壓零件的模具設計過程更加熟悉，在自己動手實踐的過程中更容易發現自身的不足，可以有針對性地解決存在的問題，在老師指導下取得進步。綜合實驗是一個把書本上的知識應用于實踐的機會，只有真正應用所學知識，才能對知識有更新的理解。做綜合實驗的過程還提高了綜合能力，鍛煉了獨立思考的能力，自己動手操作的能力。只有將理論付諸于實踐才能使理論得以校驗，同時一個人的價值也是通過實踐過程來體現的。因此以后要多注意將所學的知識應用到實際生產中，做到學以致用。”（摘自2016級實驗報告）

“通過本次綜合實驗的產品設計、工藝分析與工藝方案確定、模具設計、模具虛擬制造與裝配、產品實際加工等幾個環節，了解了沖壓件從設計到最終產品的流程，而且熟練掌握了三維設計軟件UG、二維設計軟件AutoCAD以及CAE仿真分析軟件Dynaform的使用。在實驗期間，查閱了大量有關沖壓生產的書籍和論文，沖壓知識得到了質的飛躍。另外，在實驗過程中雖然遇到了不少問題，但是通過獨立思考以及與老師交流，使這些問題得到了解決，可以說這次綜合實驗提高了自己獨立思考和解決問題的能力。通過與同學分工設計和相互探討、相互學習、相互監督，學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。”（摘自2013級實驗報告）

3.2 持續改進

在教學實踐中，發現學生對于專業綜合實驗的需求是多種多樣、不斷提高的。因此，實驗指導教師應充分考慮學生的需求，及時做出響應，不斷探索存在問題的解決方法，以使綜合實驗的內容設置更有吸引力，教學方式方法更加豐富多樣，過程監控與結果考核更為合理恰當。今后將在以下幾個方面予以改進完善：

（1）目前材料成形及控制工程專業綜合實驗課程安排在大四上學期，此時正逢學生找工作、準備考研的關鍵時期，在實驗期間經常遇到學生參加考研輔導班、校園招聘會等臨時突發情況，導致個別學生甚至所在小組的實驗節奏被打亂，不能按預定時間節點完成實驗。如何在滿足實驗教學大綱要求、確保實驗教學效果的前提下，探索更為靈活高效的專業綜合實驗教學方法，設計更具吸引力的綜合實驗各個環節內容，尋求個人實踐與小組合作更加合理的分工配合，是考驗實驗指導教師教學智慧和教學水平的問題。

（2）2016年6月，我國加入《華盛頓協議》成為第18個正式成員，標志著我國工程教育邁上新的發展臺階。當前國內高校普遍重視工程教育專業認證工作，材料成形及控制工程專業已經先后兩次通過了專業認證。因此，在金屬板料沖壓成形綜合實驗的內容設置、師資配備、條件配置、持續改進機制等方面如何適應工程教育專業認證的要求，如何開展以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價，是擺在實驗指導教師面前亟待解決的問題。

（3）在目前的綜合實驗過程中，部分實驗環節受實驗室實際條件限制，不能真正實現學生所設計模具的加工及用于后續沖壓，而是以實驗室現有的沖壓模具代替完成部分實驗環節內容。這種處理方法雖然能夠保證綜合實驗順利進行，但給學生帶來不能實戰的缺憾，在實驗報告中學生也多次針對該問題有一試身手的愿望。借助于當前蓬勃發展的增材制造技術，利用3D打印機完成模具零件的制造，從而讓學生設計的模具變成現實，不失為一條行之有效的途徑，這是實驗指導教師需要高度重視和著力落實的一項工作。

4 結 語

在對國內高校在金屬板料沖壓成形綜合實驗教學現狀的分析基礎上，提出了面向實際生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗建設思路。以學生需求為中心，以沖壓成形實驗教學中存在的問題為導向，以貫穿沖壓件實際生產全過程為指導思想，確定了面向生產全過程的金屬板料沖壓成形綜合實驗內容體系，建立了一套多層次分類考核評價標準。多年教學實踐表明，該綜合實驗的建設提升了學生理論聯系實際能力、工程實踐能力、分析和解決問題能力，達到了優化實驗教學資源、有效提高實驗教學質量的目的。材料成形及控制工程專業實驗室將在綜合實驗內容設置、教學方式方法、過程監控與結果考核等方面持續改進，將專業綜合實驗建設和發展成為高素質、創新型材料科學人才培養的重要平臺。