側重專業方向的CDIO課程實踐

摘? 要 西安交通大學機械工程學院率先嘗試寬口徑通才教育模式，十余年探索表明，仍需要有深入的專業方向背景，并先后進行專業模塊系類課程、帶有專業背景的實踐課程的選修以強化專業背景的改革與實踐。在降課時、減學分背景下，通過簡短細分專業方向基本理論導入結合多樣性、專業性項目設計實踐，側重于專業方向的CDIO課程實踐能夠很好地承擔這一任務。以模具設計與制造工藝課程為例，介紹西安交通大學機械工程學院在這一方面的實踐與探索。

關鍵詞 CDIO;機械工程;材料成形;模具設計與制造工藝

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0079-04

Practice Course of CDIO Focusing on Specialty Field//ZHANG Dawei

Abstract It needs an in-depth knowledge of specialist background under a generalist education mode with a wide aperture specialty. Practice course of CDIO focusing on specialty field can provides the

in-depth specialist knowledge. During the practice， the fundamentals of specialty field is briefly introduced， and then it connects with mul-

tiple and professional CDIO program. Taking the course of Die Design and Manufacturing as example， this paper presents the prac-

tice and exploration in this aspect from School of Mechanical Engi-neering， Xian Jiaotong University.

Key words CDIO; mechanical engineering; materials processing; die design and manufacturing

1 引言

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）教學模式的開發始于美國和瑞典的四所大學，并于2004年正式定型推廣[1]。我國于2005年開始進行CDIO教育模式的研究與實施，并結合實際情況、辦學層次、專業需求形成如EIP-CDIO等多種各具特色的CDIO教育模式[2-6]。目前CDIO已經成為國內外工程教育的主流模式[7-10]，并有從本科教育向研究生教育拓展的趨勢[11]。西安交通大學在本科教育改革中也逐漸形成以“CDIO培養模式+工程教育認證”的工科專業培養模式[12]。

西安交通大學機械工程學院于1994年率先嘗試寬口徑專業教育模式并取得一定成果[13]。由于專業背景弱化也給直接就業學生帶來專業崗位適用期長等問題，從2010年起增加了具有專業背景的模塊（由系列專業課程構成）選修學習。在此基礎上嘗試在實踐環節進行CDIO訓練，開設“模具設計與制造工藝”等六門集中實踐課程，學生任選一門以團隊形式進行。在2015版培養方案調整中，這種模塊化的實踐課程形式得以保留，并獨自承擔寬口徑通才教育下強化“窄口徑”專業背景的作用。

由于實踐項目的開放性，上述六門課程項目設計、實施過程不盡相同;即使同一門課程中，不同團隊根據實際項目和指導教師的差異，也表現出多樣性。本文以“模具設計與制造工藝”課程為例，結合筆者近年指導經驗，介紹開展側重專業方向的CDIO實踐的探索。

2 “模具設計與制造工藝”課程簡介

“模具設計與制造工藝”是西安交通大學機械類專業的一門集中實踐課程，主要任務是通過課堂教學、課內實驗教學等環節培養學生的創新意識以及模具設計與制造的應用能力，使學生掌握模具設計與制造的基本知識和基本方法，具有基本的模具設計能力，以及對模具設計與制造工藝問題進行分析、求解和論證的能力，以適應市場對該領域高級工程技術人才的需求。課程主要有三個目標。

目標1：掌握模具設計的基礎知識和基本方法，通過文獻分析，研究模具設計主要參數對成形零件的影響規律;對成形復雜零件過程中所涉及的物理現象、材料特性進行實驗驗證。主要通過課堂集中講授（八學時）實現，并在分組項目實施中得以運用和鞏固。

目標2：通過調研，提出特定需求的成形零件，給出多種成形解決方案，對方案進行分析、論證，確定合理的模具設計解決方案;能夠根據模具設計解決方案，進行模具設計計算與優化，完成成形零件的整體模具結構設計，提交模具計算說明書和工程圖紙。

目標3：具有職業規范和團隊合作意識，配合團隊項目的實施，調整和完成進度計劃和個人任務，合理進行項目的任務分解和計劃實施，具備團隊組織管理能力和項目管理能力，能夠通過小組討論、匯報、答辯等形式，進行有效溝通。

后兩個目標主要是在分組項目實施中實現。

整個課程計劃進度如表1所示。課程內容分為專業知識理論部分和實踐部分。在實踐階段，圍繞項目以團隊形式開展。每一項目小組由五名左右學生組成，每一位教師負責1～2個小組的指導工作。每一個小組自由選題，項目組成員共同確定項目內容。一般來說，每一個小組的項目均不相同。

每一個小組學生自行推薦一名負責人，合理進行項目的任務分解和計劃實施，通過團隊分工合作，調整和完成進度計劃和個人任務，實施過程中通過小組討論、匯報等形式進行有效溝通。在項目進展中后期，根據進展情況，指導教師推薦，經評審選取20%～30%的項目進行模具實物加工。最終以答辯形式，答辯評審教師從項目調研與結論的有效性，解決方案的合理性與有效性、創新性，項目管理，項目執行報告與現場答辯情況等方面對項目給出評分，其平均分構成學生最終成績的70%左右。指導教師根據項目組成員平時匯報、交流、承擔任務完成等實際情況分別給出個人成績，其構成學生最終成績的30%左右。

3 CDIO項目實施設計

在專業知識基礎講授、總結報告、工程圖紙與項目答辯等方面制定統一的標準與要求，而具體項目的選題、實施等方面存在很大的開放性，賦予學生和指導教師較大的自由度。不同指導教師甚至同一指導教師下的不同項目組之間都表現出巨大的差異性，筆者在四屆（2010級、2013—2015級）六組學生的指導過程中也不斷進行微調和改進。

由于課程內時間條件和其他條件限制，筆者對文獻[1]中所提供的構思—設計—實施—運行四個階段的主要內容進行篩選，選定可實施的內容：“構思”中的需求、技術，“設計”中的系統分析、元件設計、失效和預案分析、確認設計，“實施”中的硬件制造、系統整合、改進。根據所選定的不同階段的實施內容，結合材料成形工藝及模具設計實際，筆者分別在構思—設計—實施階段確定如表2所示內容以指導學生按要求開展工作。表2中加粗部分內容是必須進行的，其余部分根據實際情況確定。其中“構思”部分的“文獻檢索”主要是產品制造（成形）工藝、模具結構等技術部分內容。

誠如文獻[1]中對所列CDIO四階段內容所指出的“并沒有按照順序列出內容”“在產品研發工作中需要對這些任務進行大量的迭代”那樣，具體指導實施過程的路線如圖1所示。在實施過程中，1～2周進行一次小組任務進度匯報，和指導教師進行討論，團隊所有成員出席。平時小組內部根據實際情況，部分或全體開展討論與溝通。根據實際需求，個別成員或負責子任務的成員（們）隨時可聯系指導教師，匯報、溝通、尋求指導。

對所指導的學生簡介CDIO，并對實驗場所能夠用于工藝實驗的設備的原理、適用范圍進行簡單介紹，引導學生結合設備考慮工藝的選定、模具的設計。可支持后期物理模具試模及工藝實驗的設備有160噸摩擦壓力機、500噸液壓機、160噸多向液壓擠壓機、160噸伺服壓力機、63噸伺服壓力機、10噸材料試驗機、單點漸進成形實驗平臺、全自動注塑機、小型壓鑄機等。同時介紹已有模具實物結構（包括之前的課程項目加工制造的模具），加深直觀認識。特別是以前課程項目優秀成果能夠激發學生開展工作的動力。

上述工作在和分組后學生第一次見面時進行。隨后1～2周時間內，學生完成市場調研、確定目標零件等工作，這部分內容將成為項目背景意義的組成部分。

然后完成小組內的任務分工，按任務并行或順序進行。根據理論、經驗、手冊進行工藝路線和模具結構設計，然后采用數值分析方法虛擬實現工藝過程，根據數值分析結果改進、優化工藝路線和模具結構。這一部分內容或項目實施階段是重點，特別需要關注——它是不可缺少的重要環節，是師生交流互動最多、最需要加強指導的階段，是綜合能力培養提升之所在。

為了便于項目在有限的時間順利實施，針對具體情況可對目標零件結構進行簡化和再設計，對工藝路線進行簡化，縮短加工流程;對模具結構進行簡化，盡可能采用簡單模。這些工作將在下一節實例中根據具體情況介紹實施情況。

由于設計質量和經費限制，只有少部分小組能夠進行加工制造。但不論是否進行模具實物加工制造，都會要求對加工過程進行評估和預算，包括標準件選用及報價、工作零件以及其他非零件的材料選擇、加工詢價等。若所設計模具結構復雜，加工前會對模具進行簡化和重構。

4 CDIO實踐案例

上述項目實施流程在實施過程不同階段，針對具體情況，執行情況也是不同。在有限元分析階段主要提供技術支持，對軟件使用、仿真建模、結果分析提供建議、幫助、指導。若項目進入模具加工制造階段，協助聯系加工制造。在項目實施的核心階段要加強干預和指導，特別是工藝流程、模具結構的確定。本節主要在目標零件、工藝流程、模具結構三個方面結合實例介紹實施情況。

目標零件? 學生在市場調研和目標零件選取方面完全發揮主動性，但是在選定目標零件后在具體的結構尺寸上需要一定的干預。一般為了降低成形工藝分析及建模仿真的難度、簡化模具結構、便于模具加工及工藝實施、縮短項目周期，會對零件再設計，簡化細節，僅保留主體結構。此時要求對重新設計目標零件進行靜力分析、校核強度。

如“啤酒瓶開瓶器沖壓模具設計”項目中，首先對開瓶器的幾何模型進行簡化，如圖2a所示;并通過采用有限元法進行工作狀態時的靜力分析，如圖2b和圖2c所示，根據分析結構改進如厚度等幾何參數，確定目標零件幾何模型;然后進行沖裁工藝、沖裁模具的設計。

工藝流程? 參照手冊、經驗和類似的工藝流程，運用所學的知識選擇目標零件成形方法、設計工藝方案。此時的工藝方案可能是多道次，流程較長，需要多套模具成形。這增加了模具設計周期和制造成本，這種情況下一般會簡化工藝、縮短流程，只進行一套模具設計與對應的成形過程分析。

如“換熱器襯套沖壓模具設計”中的板式換熱器金屬襯環（如圖3a所示），采用落料—拉深—沖孔—翻邊（如圖3b所示），成形質量好，可成形較高的直邊;但流程長，模具結構復雜，實施難度較大。因此將工藝流程簡化為沖孔落料—翻邊（如圖3c所示），所實施的項目只對翻邊過程進行工藝分析和模具設計，工藝實驗中的坯料（沖孔落料的環形件）實際上是由線切割提供的。

模具結構? 模具結構設計和選用設備密切結合，根據成形過程有限分析的載荷結合模具運動要求選擇成形設備。仍以金屬襯環沖壓模具設計項目為例，成形過程中需要施加壓邊力以及沖頭的豎直運動，因此選用多向液壓擠壓機為實施的平臺。利用合模力進行壓邊，上方液壓缸提供沖頭直線運動。基于此設備設計的模具結構（圖4）比基于單動壓力機的模具結構簡單。

由于零件尺寸較大（法蘭外徑150 mm），從而導致模架尺寸較大，如圖4a所示，成本較高。即使采用標準模架，對上模座仍需進行二次加工。因此，在實施階段對模具進行簡化與重構，省略導向裝置，如圖4b所示。最終該項目在當年獲得資助，得以實施，如圖5所示。雖然由于模具安裝調試中沖頭（凸模）和壓邊圈、凹模對中沒處理好，沖壓零件不理想，但項目小組成員對原因進行了分析，提出模具改進意見，體現了“實施”中的改進環節。

5 結語

“模具設計與制造工藝”側重于原材料成形與控制工程專業下的實踐訓練。專業基礎理論集中授課，項目評估統一答辯，具體項目繁雜多樣，實踐項目具體實施過程及其設計是重點。在項目實施導入中結合實踐場所的設備及模具工裝，引導學生形成工藝—模具—設備一體化設計思路，在“構思”“設計”階段的目標零件確定、工藝流程選擇、模具結構設計要予以重點監控和指導。為縮短項目周期、降低“實施”成本、提高成功率，需要對零件幾何模型、工藝流程、模具結構進行適當簡化。實踐表明，側重于專業方向的CDIO課程實踐能夠完善寬口徑通才教育模式下的專業方向背景，是實踐環節的有益嘗試。

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作者：張大偉，西安交通大學機械工程學院，副教授，博士，博士生導師，研究方向為材料成形工藝及設備（710049）。

作者：張大偉，西安交通大學機械工程學院，副教授，博士，博士生導師，研究方向為材料成形工藝及設備（710049）。