虛擬仿真在壓鑄工藝及模具設計課程中的開發建設

龔海軍　舒吉平　宋鵬　張繼祥　盧紅林

［摘 要］為適應本科教學改革和人才培養需要，課程組以問題為導向，采用Unity軟件搭建壓鑄虛擬仿真實驗平臺，開發以壓鑄車間場景、壓鑄過程操作、壓鑄模具裝配及運動仿真、多澆注系統方案下的充型凝固和缺陷預測等為主要內容的虛擬仿真實驗課程。通過仿真實驗建設，使壓鑄工藝及模具設計理論課程中的高風險、高成本且不具備實驗條件的課程實驗得以開展，極大提升了線下理論課程的教學效果。

［關鍵詞］虛擬仿真；金課；課程開發；壓鑄；模具

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0074-03

壓力鑄造（壓鑄）是一種可實現少、無切削的高效率金屬近凈成形工藝，近年來在IT、汽摩、航空航天等領域應用越來越廣泛[1]。壓鑄工藝具有“高速、高壓、高溫”的特點，金屬液在壓鑄成形的過程中受多種工藝因素的影響，往往導致不可預知和可視的壓鑄缺陷。另外，如果壓鑄模具各系統和機構設計不合理，也會引起各種壓鑄缺陷[2]。由于壓鑄模設計制造具有不可逆、周期長以及壓鑄實驗高危、高成本、高消耗的特點，一般高校本科教學難以具備真實的壓鑄實驗條件[3-4]。

為解決此類課程的綜合訓練問題，2017年7月，教育部辦公廳下發《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，2019年10月教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》，兩個文件都指出要堅持需求導向，緊密結合經濟社會發展對高校人才培養的需求來開發虛擬仿真實驗教學項目。重慶地處西南，坐擁黃金水道和“渝新歐”國際鐵路，汽摩及IT等產業發達，壓鑄人才需求旺盛[5]。重慶交通大學（以下簡稱“我校”）結合材料成型及控制工程（材控）專業定位和人才培養目標，為提升專業教學水平，打造虛擬仿真“金課”，批準啟動壓鑄工藝及模具設計（以下簡稱“壓鑄”）虛擬仿真實驗課程建設。

一、壓鑄虛擬仿真“金課”建設的目標、任務及原則

壓鑄虛擬仿真“金課”建設目標，就是適應社會對人才培養的新要求、新特點、新規律，提高本科學生壓鑄工藝實踐能力和模具設計創新精神，依托PC和網絡，以材控專業急需的壓鑄工藝及模具設計課程實驗教學信息化內容為指向，完整覆蓋課程核心和重點內容，積極實踐線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式。本課題虛擬仿真實驗項目要求學生熟悉壓鑄車間及壓鑄基本操作，掌握壓鑄技術關鍵環節，掌握影響壓鑄過程的工藝分析方法，全面培養學生綜合分析、探究創新的能力。壓鑄課程核心內容及重要應用如圖1所示。

為區別于傳統的“舊課”及以往的“水課”，保障“金課”建設的水準，高教司提出了“金課”建設“兩性一度”的指導思想[6]，其要點如圖2所示。為達成課程建設目標，本壓鑄虛擬仿真課程建設對照“兩性一度”的要求，在建設過程中緊扣以下三項原則。

第一，堅持以學生為中心的實驗教學。壓鑄件成形質量和壓鑄模壽命由多種因素決定，學生短時間內難以完全理解各因素的相互作用，因此，壓鑄虛擬仿真課程的設計不以模具成型零件尺寸和壓鑄工藝參數設計合理為唯一標準，而是將多個因素和變量設為可變、可調，以此激發學生的操作興趣，調動學生參與實驗的積極性和主動性，促進學生思考，增強學生的創新創造能力。第二，準確適宜的實驗教學內容。由于壓鑄工藝有高溫、高壓和高速的“三高”特點，模具設計、制造、壓鑄過程不能用試錯方式驗證，虛擬仿真主要涉及壓鑄車間環境和壓鑄操作、壓鑄模具拆裝、開合模運動仿真及主要工藝參數的可視化驗證，以解決壓鑄實驗成本高、環境差、模具設計制作周期長和不可逆等問題。第三，要求學生主要采用自主式、合作式、探究式方法學習，教師則基于案例互動式、研討式教學，多種教學方式方法并用。

在運行模式上，建立合理的專業實驗教學師資力量，按照“誰開發、誰負責，誰使用、誰負責”的原則，確保穩定安全的開放運行模式。此外，虛擬仿真實驗教學項目的研發綜合多媒體、三維建模、人機交互等手段，采用情景化的仿真環境，著力提高實驗教學的吸引力和效果。

二、壓鑄虛擬仿真“金課”的建設內容

（一）壓鑄虛擬仿真實驗教學內容與教學規劃

在以往壓鑄課程的教學過程中筆者發現，學生對壓鑄零件結構、壓鑄工藝、澆注系統、溢流與排氣系統等模具單獨的系統和結構功能雖有認知，但對影響壓鑄件質量、模具壽命等因素和因素間的相互關系不能完全理解，少部分學生在短時間內對壓鑄模由成型零件、模架、抽芯機構、推出機構等多機構組成的復雜空間結構及工作過程也難以理解。為此，壓鑄虛擬仿真實驗的開發應緊貼壓鑄課程的內容需求，堅持以問題為導向，本著服務課程的目的進行建設開發，最終梳理確定實驗教學項目知識點。壓鑄理論課程與本文虛擬仿真實驗教學內容之間的關系如圖3所示。

壓鑄虛擬仿真課程建設以內容準確、前后關聯、時長合理、難度適宜為準則，著力還原真實實驗的教學內容要求、實驗原理、操作環境及互動感受。本虛擬仿真實驗要求材控專業學生參加完整的生產實習過程，并依照認知規律，從“基礎認知、實訓提高和綜合分析”三個層次逐步深入開展仿真實驗教學。壓鑄虛擬仿真實驗教學內容與教學方法如圖4所示。

（二）壓鑄虛擬仿真實驗教學內容

1.壓鑄車間、壓鑄裝備及壓鑄基本知識

結合壓鑄車間真實場景，采用Unity實時3D平臺開發，將壓鑄生產環節中的主要內容和設備植入壓鑄虛擬仿真實驗平臺，讓學生對壓鑄的每個階段、每個場景進行沉浸式交互體驗和學習。壓鑄車間及主要壓鑄流程如圖5所示。

2.壓鑄模具裝配、拆分及開合模運動仿真實驗

壓鑄模由定模和動模兩大部分組成。動模、定模分別固定在壓鑄機的動模、定模安裝板上，定模澆注系統與壓室相通，動模則隨動模安裝板移動來實現與定模的合模和開模。壓鑄模合模狀態下的基本結構如圖6（a）所示：1.動模座板；2.推板；3.推桿固定板；4.推桿；5.導柱；6.動模套板；7.導套；8.動模鑲塊；9.定模鑲塊；10.定模套板；11.動模套板；12、20、21.螺釘；13.銷釘；14.套板；15.澆口套；16.直澆道；17.分流錐；18.橫澆道；19.內澆道。壓鑄模具虛擬仿真通過模具零件三維模型進行裝配、拆分、開合模運動仿真，可以輕松清晰地呈現出模具的結構及工作原理[7]，壓鑄模三維爆破及運動仿真瞬態效果見圖6（b）、（c）所示。

3.壓鑄模具澆注、溢流系統關鍵位置和尺寸仿真驗證實驗

本虛擬仿真實驗項目根據模具設計理論，提供3個理論上可行的澆注和溢流系統方案，學生分別觀察不同澆注系統方案下壓鑄的充型和凝固過程，如圖7所示。

4.壓鑄模具充型與凝固過程仿真實驗

在壓鑄過程中，金屬液通過活塞壓入模具直澆道，再依次進入橫澆道、內澆道、型腔和溢流槽。學生通過仿真實驗，可清晰觀察金屬液流動填充順序和凝固進程，如圖8所示。學生通過直觀感知由于壓鑄參數的變化引起的充型和凝固現象的不同，從而為壓鑄工藝選擇和模具澆注、排溢等系統的設計提供正確反饋，進而對工藝進行改進。

5.壓鑄缺陷仿真實驗與驗證

壓鑄參數選擇及模具設計合理與否的主要判斷依據就是壓鑄件質量的高低。壓鑄件關鍵位置如存在氣孔、縮孔則嚴重影響鑄件性能，甚至導致鑄件直接報廢，學生通過壓鑄過程模擬，發現氣孔的位置及程度、微觀孔隙度等缺陷類型及程度，理解壓鑄模具及參數不合理對于鑄件質量的直接影響，從而思考改進方案。

為觀察驗證壓鑄虛擬仿真實驗提供的3個澆注系統方案中最優方案的鑄件質量，采用組織模擬和掃描電鏡組織照片結合的方式對比呈現。實驗者通過由Unity搭建的虛擬仿真平臺進行交互操作，通過選取鑄件不同位置，觀察相應位置的模擬組織、掃描電鏡組織及X-射線探傷檢測的結果，從而理解壓鑄參數對鑄件質量和組織的影響。

三、結束語

本文將壓鑄虛擬仿真實驗應用于壓鑄課程的教學中，通過傳動、傳質、傳熱的“三傳”壓鑄過程模擬仿真，可對模具澆注和溢流系統、充型和凝固過程、壓鑄缺陷進行輔助設計、分析和預測；通過壓鑄虛擬仿真實驗平臺，學生能全面理解壓鑄車間、壓鑄模具的零件組成、裝配關系、工作原理，金屬液從充型到凝固再到鑄件缺陷形成的過程，從而發現模具設計的合理與不足之處，加強初學者對壓鑄模整體結構和壓鑄工藝參數作用的認識。壓鑄虛擬仿真實驗課程的開發，不僅解決了課程的實驗問題，而且使得學生可以通過在線學習的方式進行課前預習、課后復習，提前掌握原本線下課堂應該掌握的知識，徹底打破了傳統講授式的教學模式，使得線上線下混合教學模式得以試行、半翻轉和翻轉課堂得以應用，這在很大程度上改變了原有的教學模式。仿真實驗不僅能激發學生的學習興趣，增強了學生自主學習和探究問題的能力，而且極大提升了線下理論課程的教學吸引力和效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 龔海軍，周濤，李歡，等.基于杰魔的鋁合金零件逆向建模及壓鑄模具設計[J].鑄造，2020（6）：596-601.

[2] 趙凱陽，徐慧，劉錫林，等.基于Magma5.3的下箱體缺陷分析及工藝優化[J].特種鑄造及有色合金，2018（6）：615-618.

[3] 李義兵，孟征兵，肖超，等.冶金工程虛擬仿真教學實訓平臺建設[J].中國冶金教育，2018（6）：64-68.

[4] 厚國旺，陳清奎，高博，等.《塑料成型與模具設計》虛擬仿真教學系統開發[J].模具工業，2018（9）：74-77.

[5] 林林，張小巖，錢楚楚，等.中國壓鑄模具發展的現狀與展望[J].特種鑄造及有色合金，2019（1）：45-48.

[6] 郭世永，陳魯偉.虛擬仿真學科“金課”建設與實踐[J].教育現代化，2019（39）：127-142.

[7] 牛政.基于虛擬仿真軟件在模具拆裝教學中的應用分析[J].中國多媒體與網絡教學學報（上旬刊），2018（3）：9-10.

［責任編輯：陳 明］