壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與教學(xué)實(shí)踐

陳元芳 屈亞龍 劉 春

（重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400054）

壓力鑄造，簡稱壓鑄，是液態(tài)金屬材料重要的成型方法之一，壓鑄生產(chǎn)實(shí)踐是材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

采用真實(shí)裝備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下問題：（1）需要各種儀器和設(shè)備，許多儀器價(jià)值昂貴、體積大，前期投入大，但功能卻單一且固定；（2）運(yùn)行過程中電、液、氣等資源消耗大，設(shè)備后期維護(hù)成本高，有些設(shè)備運(yùn)行環(huán)境極端，操作危險(xiǎn)性高；（3）現(xiàn)場(chǎng)壓鑄生產(chǎn)，無法觀察到鑄件的成型過程，無法觀察到壓鑄機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理；（4）受資金、場(chǎng)地的限制，無法滿足學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)的需要，無法實(shí)現(xiàn)開放、自主設(shè)計(jì)，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)更是難以開展；（5）真實(shí)的設(shè)備操作精密，很難開放共享；（6）生產(chǎn)企業(yè)給學(xué)生一線實(shí)踐的空間小，專業(yè)實(shí)習(xí)多為走馬觀花，實(shí)習(xí)難以到達(dá)預(yù)期的效果。

因此，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開發(fā)具有良好交互性能的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，以其逼真的視覺效果、強(qiáng)烈的沉浸感、良好的交互性、平臺(tái)的可擴(kuò)展性逐步取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有廣泛的現(xiàn)實(shí)需求。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

壓鑄生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過融入壓鑄生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際案例，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的方法，構(gòu)建全流程、高仿真、強(qiáng)交互性的壓鑄成型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到以下實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)生在虛擬環(huán)境中，不受時(shí)間、空間的制約，隨時(shí)、隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作，使學(xué)生進(jìn)一步掌握壓鑄模具結(jié)構(gòu)、各部件裝配關(guān)系及拆裝順序；掌握壓鑄機(jī)的動(dòng)作原理及結(jié)構(gòu)組成，掌握壓鑄機(jī)選型方法等知識(shí)。通過在虛擬場(chǎng)景中身臨其境和自主控制的人機(jī)交互，提高專業(yè)興趣，啟發(fā)創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)獨(dú)立進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和問題解決的能力。

2 實(shí)驗(yàn)涉及知識(shí)點(diǎn)

壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以前蓋壓鑄件實(shí)際生產(chǎn)為例，按照壓鑄生產(chǎn)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)流程，構(gòu)建了壓鑄生產(chǎn)全實(shí)景三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將企業(yè)的制造理念、工作模式融入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織和教學(xué)流程之中，注重積極培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ撎摂M實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要包括虛擬合金熔煉、虛擬模具拆裝、虛擬壓鑄模具安裝、虛擬壓鑄成型、虛擬鑄件切邊、虛擬打磨、虛擬時(shí)效處理、虛擬拋丸處理、虛擬檢測(cè)九個(gè)部分。實(shí)驗(yàn)涉及知識(shí)點(diǎn)如下：

2.1 合金熔煉

根據(jù)鑄件材料要求進(jìn)行配料，設(shè)置適當(dāng)?shù)娜蹮捁に噮?shù)，合理添加除渣劑；運(yùn)用旋轉(zhuǎn)吹氣進(jìn)一步凈化合金熔液，有效提升冶金質(zhì)量。

2.2 模具結(jié)構(gòu)拆裝

通過虛擬壓鑄模具裝配，學(xué)生模擬鉗工把以備好的壓鑄模進(jìn)行拆裝，掌握零部件間的拆裝順序、配合關(guān)系，掌握模具整體結(jié)構(gòu)、各零部件特點(diǎn)及技術(shù)要求。

2.3 模具安裝

壓鑄模具必須與壓鑄機(jī)適配，相關(guān)安裝尺寸、位置必須匹配。

2.4 壓鑄成型

壓力鑄造是壓鑄機(jī)將高溫融熔金屬液，在高速高壓狀態(tài)下以一定的工藝條件快速充填型腔，并在一定壓力作用下快速冷卻的鑄造方法。壓鑄時(shí)金屬液按填充型腔的過程，是將壓力、速度、溫度以及時(shí)間等工藝因素得到動(dòng)態(tài)平衡的過程。壓力鑄造分為熱室壓鑄機(jī)壓力鑄造和冷室壓鑄機(jī)壓力鑄造兩類。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以冷室臥式壓鑄機(jī)為例進(jìn)行壓鑄成型實(shí)驗(yàn)。冷室臥式壓鑄的過程是：合模后，金屬液澆入壓室，壓射沖頭向前推動(dòng)，金屬液經(jīng)澆注系統(tǒng)充填模具型腔，凝固冷卻后成型壓鑄件，隨后壓鑄機(jī)動(dòng)模板移動(dòng)使模具動(dòng)模與定模分開，模具打開，鑄件在推出機(jī)構(gòu)作用下推出，取出鑄件，完成一個(gè)壓鑄循環(huán)。

2.5 鑄件清理

（1）切邊。利用切邊機(jī)、切邊模去除鑄件水口流道、溢流系統(tǒng)及飛邊，去除大部分多余的材料；（2）打磨。用手工去除殘留的批鋒毛刺。

2.6 時(shí)效處理

時(shí)效處理是將鑄件加熱到某一溫度并保持一段時(shí)間，使鑄件基體達(dá)到穩(wěn)定狀。

2.7 噴丸處理

對(duì)鑄件表面進(jìn)行清理和表面強(qiáng)化處理。

2.8 鑄件檢測(cè)

JEW SPC測(cè)量系統(tǒng)是基于坐標(biāo)測(cè)量的，將各被測(cè)幾何元素的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)這些幾何元素上一些點(diǎn)集坐標(biāo)位置的測(cè)量，在測(cè)得這些點(diǎn)的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算求出其尺寸和形位公差。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

學(xué)生通過廣域網(wǎng)經(jīng)由開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)鏈接到本項(xiàng)目，在線上預(yù)先按照?qǐng)D中實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程自由地進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和仿真操作，而教師則在線進(jìn)行答疑。

（1）預(yù)習(xí)。基于問題的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)，教師提前布置預(yù)習(xí)任務(wù)，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、鑄件分析內(nèi)容、模流分析方法等，以預(yù)習(xí)考核方式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí)。仿真平臺(tái)24小時(shí)向?qū)W生開放，在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)，學(xué)生登錄仿真平臺(tái)進(jìn)入“預(yù)習(xí)”系統(tǒng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)仿真實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行考核。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)、預(yù)習(xí)后，需在開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)中進(jìn)行考核，考核成績合格后，方能取得學(xué)習(xí)仿真實(shí)驗(yàn)的資格，授課教師才向其開放仿真學(xué)習(xí)資源。

4 實(shí)驗(yàn)方法

（1）工藝介紹：學(xué)生通過網(wǎng)站中的背景介紹、教學(xué)資源介紹學(xué)習(xí)前蓋壓鑄生產(chǎn)工藝介紹自主學(xué)習(xí)工藝流程、相關(guān)設(shè)備操作等。

（2）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)介紹：打開瀏覽器，在地址欄中輸入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目展示網(wǎng)站網(wǎng)址，點(diǎn)擊頁面中的“登錄入口”按鈕。先選課，然后再開始實(shí)驗(yàn)，圖1所示為開始實(shí)驗(yàn)頁面。學(xué)生通過網(wǎng)站中的學(xué)生使用手冊(cè)，自主學(xué)習(xí)網(wǎng)站使用方法，圖2所示為平臺(tái)使用手冊(cè)下載頁面。

圖1：開始實(shí)驗(yàn)界面

圖2：平臺(tái)使用手冊(cè)下載

（3）軟件詳細(xì)演示：學(xué)生根據(jù)網(wǎng)站中的教學(xué)演示視頻，自主學(xué)習(xí)3D仿真軟件進(jìn)行全流程壓鑄生產(chǎn)相關(guān)操作，使學(xué)生掌握相關(guān)設(shè)備操作方法。

（4）上機(jī)模擬：學(xué)生進(jìn)行3D操作模擬，模擬合金熔煉、模擬模具安裝、模擬壓鑄成型、模擬鑄件清理、模擬時(shí)效處理、模擬拋丸、模擬檢測(cè)等生產(chǎn)過程。

（5）在線協(xié)同操作：網(wǎng)上可設(shè)置虛擬班組，如7人一班，每人一個(gè)工位，根據(jù)“虛擬生產(chǎn)任務(wù)”分合金熔煉、模具安裝、模擬壓鑄成型、模擬鑄件清理、模擬時(shí)效處理、模擬拋丸、模擬檢測(cè)工位進(jìn)行仿真聯(lián)合操作，共同完成虛擬生產(chǎn)任務(wù)。

（6）在線考核：教師提出預(yù)習(xí)考核內(nèi)容和操作考核內(nèi)容，學(xué)生進(jìn)行考試，成績自動(dòng)保存到教師機(jī)。

（7）實(shí)驗(yàn)報(bào)告：對(duì)前蓋壓鑄生產(chǎn)原理、工藝流程、操作步驟等撰寫仿真生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并在線上傳。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

5.1 壓力鑄造虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)

（1）“以虛補(bǔ)實(shí)，虛實(shí)結(jié)合”的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決了壓力鑄造生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)大、實(shí)體教學(xué)實(shí)驗(yàn)難以開展的問題。

（3）以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，交叉融合壓鑄成型工藝及模具方面的知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)模擬壓鑄生產(chǎn)的“全流程工藝過程”，讓學(xué)生感受到完全“真實(shí)”的工業(yè)化生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境，使學(xué)生在虛擬實(shí)訓(xùn)中掌握壓鑄工藝?yán)碚摗⒃O(shè)備及操作等知識(shí)，有效鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

5.2 教學(xué)方法

“以學(xué)為中心”，以問題為導(dǎo)向，案例貫穿全流程的推進(jìn)自主式和探究式學(xué)習(xí)模式，通過線上線下相結(jié)合的個(gè)性化、智能化實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。同時(shí)，依托在線平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)虛擬“認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)”、“生產(chǎn)實(shí)習(xí)”和真實(shí)的“實(shí)訓(xùn)操作”，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)空間，是集“教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、考核”于一體的全新教學(xué)模式。

5.3 多元化評(píng)價(jià)體系

評(píng)價(jià)體系為以“學(xué)生為中心”的多元化評(píng)價(jià)體系，以實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告“四位一體”全面考核和評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，同時(shí)建立學(xué)生電子檔案，采取學(xué)生自評(píng)、小組評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

5.4 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

運(yùn)用3D仿真、VR在線交互等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維交互虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，通過開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，加強(qiáng)資源的有序整合和有效對(duì)接，實(shí)現(xiàn)資源的交叉訪問、在線學(xué)習(xí)、操作、測(cè)試等，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延伸和拓展。

6 教學(xué)效果

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可達(dá)到以下教學(xué)效果：

（1）利用虛擬仿真技術(shù)，將合金熔煉、模具拆裝、壓鑄模具安裝、壓鑄成型、鑄件切邊、打磨、時(shí)效處理、拋丸處理、檢測(cè)在虛擬仿真環(huán)境中逼真體現(xiàn)，可以大大提高教學(xué)過程的直觀性。

（2）通過壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，顯著提高學(xué)生的自學(xué)能力、查閱文獻(xiàn)資料能力、實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力、分析和解決實(shí)際工程問題的能力。

（3）壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重視認(rèn)知、技能、分析等多種教學(xué)目標(biāo)的協(xié)同達(dá)成，同時(shí)注重階段性目標(biāo)和方向性目標(biāo)的有機(jī)結(jié)合，有利于整體教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（4）壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目注意教材各知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系，合理統(tǒng)籌規(guī)劃教與學(xué)的內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)符合學(xué)生的心理結(jié)構(gòu)特色。

7 結(jié)語

針對(duì)壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源相對(duì)匱乏的現(xiàn)狀，筆者及所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。基于真實(shí)車間場(chǎng)景實(shí)地測(cè)繪、建模，綜合運(yùn)用虛擬儀器、有限元仿真軟件、三維場(chǎng)景與VR、人機(jī)在線交互等技術(shù)，逼真再現(xiàn)了合金熔煉、壓鑄模具安裝、壓鑄成型、鑄件清理、鑄件時(shí)效處理、噴丸處理、鑄件檢測(cè)等全工藝流程。該虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以虛補(bǔ)實(shí)，支持學(xué)生在線訪問，自主操作設(shè)備完成各工藝實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)壓鑄成型原理、壓鑄模具結(jié)構(gòu)、壓鑄工藝參數(shù)等知識(shí)的理解，解決了壓力鑄造實(shí)體實(shí)驗(yàn)受場(chǎng)地限制、操作危險(xiǎn)高、高成本、高能耗難以開展的問題。