擠壓成形與模具設計課程虛擬仿真實驗設計

趙 熹，李雨軒，關世璽

（中北大學航空宇航學院 山西 太原 030051）

航空航天高端裝備的發展不僅對科技、經濟帶動作用巨大，還是涉及國家戰略安全的關鍵。輕量化是提升裝備性能的根本途徑，已成為航空航天領域重要的發展方向[1-2]。鎂合金作為最輕的工程金屬材料，是裝備輕量化的最佳用材，廣泛應用于航空航天、國防軍工、交通運輸等領域。加速開發鎂材料對保持社會可持續發展具有重要的戰略意義，是通向碳中和的必由之路[3-6]。近年來鎂合金被廣泛應用于飛機、導彈、飛船、衛星，以減輕結構重量，提高飛行器的機動性能，降低航天器的發射成本[7]。

飛行器制造工程專業重點培養學生解決飛行器制造領域復雜工程問題的能力，更加注重實踐能力的培養。其中擠壓成形及模具設計是核心課程，目標在于培養學生運用知識解決實際擠壓工程問題的能力，但是熱擠壓實驗涉及高溫高壓極端條件，高能耗、高危險性、不可視性等困難因素，且還具有時間長、流程長的特點。建立虛擬仿真系統可通過仿真展現真實實驗不具備或難以體現的動態和微觀的不可視過程，幫助學生從視、聽、練的角度對專業知識進行更好的理解和掌握。實驗項目立足于學科前沿，以行業對于航空航天人才的急需為驅動，融入鎂合金領域最為先進的熱成形技術，做到以學生為中心、培養實踐能力和創新能力為導向，以期提高學生在該領域方向的培養質量，讓學生走上崗位后能盡快適應。

1 虛擬仿真實驗的重要意義

我國航空航天制造業發展日新月異，擠壓成形工藝與模具設計課程的傳統教學方式效果不佳，培養學生實踐能力的目標較難達成。其主要局限性在于：

①設備昂貴，本科教學實驗室無法配備。實驗為大型綜合類實驗，實驗設備既包含擠壓機、熱處理爐等產生高溫高壓的設備，同時包含價格昂貴的合金微觀組織觀測的實驗設備如電子顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等，一般本科專業教學實驗室無法配備，制約了學生實踐能力培養的達成度。

②實驗周期長、成本過高。本實驗需要多次長時間不間斷加熱，不僅產生高耗能，并且實驗周期長，一次完整實驗至少持續3―5 天；實驗過程不可逆，一次完整實驗只能得到一組數據，而要觀測鎂合金變形及熱處理過程組織演變規律，需要進行多組實驗。稀土鎂合金材料昂貴（100元/千克），實驗材料為一次性使用，實驗成本大。

③存在安全隱患。熱成形實驗在高溫條件下完成，模具處于加熱狀態且噸位較大，模具安裝過程存在燙傷、磕碰等安全隱患。實驗現場由于潤滑劑的高溫氣化，粉塵溶度大，地面濕滑，環境較為惡劣，對人體有極大傷害。

因此傳統教學已不能滿足企業對學生所掌握技能的需求，不能滿足國家對制造業人才的戰略需求。

2 鎂合金擠壓工藝虛擬仿真實驗設計

2.1 實驗設計

本實驗是一個綜合設計型實驗，分為三大模式：學習模式、實訓模式和自主模式，三大模式逐步開放，自由度逐步提高。首先，學習模式的主要內容為對實驗操作步驟的具體視頻演示，屬于對標操作的演示教學，使學生對整個實驗流程有整體的了解；其次，實訓模式是按順序提示操作步驟，但由學生自主選擇實驗器具，若選擇錯誤可根據系統提示直至選擇出正確選項，具有一定的獨立性；最后，自主模式是由學生自主選擇各個工序的實驗步驟和實驗器具，具備較高的獨立性和自由性，能有效地讓學生自主提升實驗操作水平，熟練掌握實驗操作。三大模式由淺入深地逐步讓學生掌握了問題分析、方案設計、研究和使用現代工具的能力，體現了本實驗在鎂合金擠壓成形工藝、技術能力培養、專業培養目標達成的重要位置。

2.2 實驗目標

通過本實驗的開展，學生能夠明確工藝流程、外控參數、內部場景、組織演變之間的內在關系，培養對現代工具的使用能力、分析和設計能力以及研究能力，能夠意識到輕質鎂合金材料及熱變形在裝備輕量化和碳中和中的應用價值，培養科技報國情懷。

實驗目標1，現代工具的使用能力：能夠針對鎂合金鑄態、均勻化態、變形態、熱處理態等需重點分析的組織對象及特征，有效選擇光鏡、掃描電鏡、EBSD（電子背散射衍射）、透射電鏡等材料分析儀器，并能夠根據不同分析儀器對試樣質量的要求，采取合理的組織制備程序。

實驗目標2，分析和設計能力：能夠運用鎂合金形變強化原理、鎂合金熱處理強化原理、往復鐓擠/旋轉擠壓原理等相關知識、分析熱變形鎂合金組織的影響因素，并針對鎂合金變形特性和構件應用需求，設計合理的鎂合金熱變形方案和參數。

實驗目標3，研究能力：能夠根據自主熱變形方案和參數展開實驗，科學分析和解釋各階段所獲得的鎂合金組織特征及全流程組織演化過程，獲得合理有效的結論。

2.3 實驗過程

本實驗主體按三大模式順序進行，首先在學習模式中完成語音授課；接著在實訓模式中完成實操訓練；最后在自主模式完成實操考核和自動跳出的試題考核，全部完成后提交即可返回查看成績并進行評價。每大模式均包含七個工序，按順序分別是稀土鎂合金鑄棒分析→均勻化處理→往復鐓擠變形強化過程→旋轉擠壓過程→固溶時效→金相組織分析→模具組裝。

3 鎂合金擠壓虛擬仿真實驗的“兩性一度”分析

3.1 實驗的高階性

本實驗主體層次分明，且內容步驟十分具體。先引導學生進行基本的視頻學習以熟悉實驗操作；然后逐漸提高難度，讓學生自主選擇實驗器材；最后讓學生自主選擇實驗步驟和實驗器材，難度進一步提高。實驗由始至終采用了一種循序漸進的教學方法，不會使學生因為煩瑣的步驟而思緒混亂，又能夠使學生由陌生到熟悉再到完全掌握實驗步驟，由最開始的看視頻對實驗進行了解，再到實訓模式中對操作進行回憶，到最后自主模式中憑借對實驗的深入理解進行獨立思考。因此整個實驗不是直接讓學生進行獨立思考，而是通過前兩個較簡單的模塊逐步引導學生進行思考，拋磚引玉；不是直接讓學生去理解實驗步驟，而是通過對各工序進行清晰地細化，引導學生逐步認識。此外，對實驗步驟和實驗參數的選擇使仿真實驗具有較高的自由度，比較貼合實際實驗，能夠使學生進行一定的思考。因此該實驗能夠有效地實現知識、技能和專業素質的有機結合，具有較強的高階性。

3.2 實驗的創新性

本虛擬仿真實驗主要運用了三維動畫技術和人機交互技術。在進行實驗的過程中，各個實驗步驟都運用了精美的動畫演示，十分貼合實際操作，能夠讓學生較為真切地體會到實際的實驗操作，如同身臨其境，這無疑會加深學生對實驗步驟的理解。在人機交互方面，學生可自主選擇實驗器具，這十分貼合實際操作并且具備高度人性化，而且在前六個工序中的最后都有對不同溫度下金相組織的分析，通過形象的方式加深學生對鎂合金組織性能變化的理解。因此無論是動畫還是圖譜再或者是人機交互，都使抽象的實驗形象化、具體化了，以對立的角度大大提升了學生的理解力，具有較高的創新性。

3.3 實驗的挑戰度

由于仿真實驗中運用了大量三維動畫技術，因此，首先這些三維建模需要準確，要與實際實驗設備及場景相符合，而且這些建模要具備一定的細節以使實驗更為形象化和精確化。其次設計者需要具備扎實的基礎知識以對學生進行適當的考查，并熟練掌握鎂合金擠壓成形組織演變實驗的詳細操作步驟，保證實驗步驟和實驗結果的精確性。最后也是最重要的，設計者需要將上述實驗的高階性和創新性融入實驗，不僅要讓實驗與實際緊密貼合，還要將知識與實踐、與教學進行有機融合，要引導學生獨立思考，使學生深刻理解，要結合新技術進行創新等。此外，要注重實驗的交互性、探索性和開放性。可系統建立3D 動畫場景，給學生帶來沉浸式體驗，加強學生的認知，在實驗環節中設計知識點選擇題和探究性思考題，便于學生掌握、理解實驗環節和內容，并能進一步分析，體現較強的挑戰度。

4 結語

本實驗為學生提供稀土鎂合金從原材料分析，到塑性強化及熱處理全流程虛擬展示及交互學習，涉及模具和旋轉擠壓機等形變強化實驗設備、加熱爐等熱處理設備、線切割機及電子顯微鏡等微觀組織檢測設備；通過動態展示工件的塑性變形強化過程、熱處理及組織觀測，幫助學生熟悉塑性加工及熱處理工藝流程，加深對材料形變強化本質的認識。

實驗設計將鎂合金領域最為先進的熱成形技術融入實驗教學項目，做到以學生為中心、培養實踐能力和創新能力為導向，有層次地揭示工藝流程、外控參數、內部場量、組織演變之間的內在關系，采用交互式學習方法，構建沉浸式的實驗環境，能夠較好地提高學生在該領域方向的培養質量。