康 麗，李秋書，王榮峰

（太原科技大學(xué) 材料學(xué)院，山西 太原 030024）

CAD技術(shù)是材料成型及控制工程專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課。本課程和畫法幾何與機械制圖課程相銜接，教學(xué)大綱要求利用本課程所學(xué)的繪圖方法能繪制中等難度的二維機械圖形，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，以便為大四的專業(yè)課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。也是大部分以后繼續(xù)從事工業(yè)設(shè)計工作學(xué)生的必備技能。隨著產(chǎn)品制造業(yè)的全球化和需求個性化，要求企業(yè)最大限度地縮短設(shè)計制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、掌握和發(fā)展先進(jìn)的設(shè)計制造技術(shù)。企業(yè)對產(chǎn)品設(shè)計的要求已經(jīng)從單一的二維平面圖上升到三維的可視化、參數(shù)化設(shè)計圖，鑄造工作者單一地掌握二維機械圖形的繪制顯然已難以滿足這種需求[1]。根據(jù)往屆畢業(yè)生的調(diào)查反饋，他們進(jìn)入企業(yè)后往往還要經(jīng)過很長時間的適應(yīng)和學(xué)習(xí)才能真正勝任產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)工作，這個過程通常需要3a～5a時間。

另外，實踐證明，三維CAD系統(tǒng)可借助三維實體模型及完整的造型結(jié)構(gòu)，齊全的尺寸和幾何約束，充分的可以參數(shù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)，方便地完成設(shè)計的修改和調(diào)整、零部件的裝配，乃至與后續(xù)的CAE系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞，從而分析和優(yōu)化復(fù)雜工程和產(chǎn)品的性能，可完成靜力學(xué)分析、運動分析、充型凝固模擬仿真、數(shù)控加工等等[2]。掌握鑄造凝固過程的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的使用方法無疑為畢業(yè)生今后成為合格的鑄造專業(yè)工程師提供了技術(shù)手段和有力保證。

因此，為了適應(yīng)社會的發(fā)展需求，改善目前存在的問題，我們結(jié)合平時的教學(xué)體會，提出了CAD/CAE技術(shù)一體化的教學(xué)方法。目的是通過教學(xué)內(nèi)容的適當(dāng)延伸，同時強化理論與實際的聯(lián)系，形成一個培養(yǎng)鑄造專業(yè)的計算機輔助工藝設(shè)計工程師的培訓(xùn)平臺，通過一般性教學(xué)方法向擴展知識型教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，可以開闊學(xué)生思路，提高畢業(yè)生發(fā)現(xiàn)問題和處理解決問題的能力。從而提升本科生就業(yè)工作能力起點，增強鑄造專業(yè)畢業(yè)生綜合實力和市場競爭力。

1 鑄造過程CAD/CAE 一體化教學(xué)方法的實施計劃

所謂鑄造過程CAD/CAE一體化教學(xué)方法就是指將教學(xué)大綱規(guī)定的《CAD技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)延伸，教師先將目前大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容完整講述一遍，余下的課時可以將學(xué)習(xí)的范圍擴展到三維造型技能的培訓(xùn)。在學(xué)習(xí)繪制二維圖形的基礎(chǔ)上，學(xué)生能更快了解和掌握三維建模的要領(lǐng)和技巧。結(jié)合實驗室購置的華鑄CAE軟件及其網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，因其配備有與主流CAD軟件的數(shù)據(jù)接口，且具有良好的中文界面、簡單易學(xué)的操作步驟等優(yōu)點，通過例題的講解和學(xué)生的實際操作，可基本實現(xiàn)本課題提出的鑄造凝固過程CAD/CAE一體化教學(xué)。最后可通過組織學(xué)生參加中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽和專業(yè)課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)對鑄造過程CAD/CAE一體化教學(xué)方法的成果進(jìn)行檢驗?？梢?，必須通過課堂教學(xué)，上機實驗，課外實踐，課程設(shè)計四大塊的有機結(jié)合才能保證學(xué)生真正掌握利用CAD/CAE系統(tǒng)進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計和優(yōu)化的方法。

在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)主要通過教師講解和多媒體演示，使學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識和具體操作步驟。

在上機實驗環(huán)節(jié)需根據(jù)各類鑄造成型工藝，編訂具有代表性的零件工藝設(shè)計資料庫。利用實驗室配備的華鑄CAE教學(xué)系統(tǒng)，令學(xué)生邊學(xué)邊做，并制定具體的上機實習(xí)內(nèi)容，使學(xué)生有針對性的練習(xí)教師指定的習(xí)題，并隨時從旁指導(dǎo)，使學(xué)生具備實際動手能力。

在實踐檢驗環(huán)節(jié)以“永冠杯中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽”為平臺，組織試點學(xué)生參加社會實踐活動，完成一個完整的基于CAD/CAE系統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計作品，對鑄造凝固過程CAD/CAE一體化教學(xué)的成果進(jìn)行檢驗。

在大四專業(yè)課程設(shè)計環(huán)節(jié)，結(jié)合大學(xué)四年所學(xué)專業(yè)知識，要求學(xué)生根據(jù)零件圖與技術(shù)要求，選擇不同的工藝進(jìn)行設(shè)計并進(jìn)行三維CAD造型和CAE工藝模擬優(yōu)化，最后提交設(shè)計說明書、鑄件工藝圖、工藝卡等。這個環(huán)節(jié)是對學(xué)生應(yīng)用鑄造凝固過程CAD/CAE輔助設(shè)計系統(tǒng)的鞏固和深化。

2 鑄造過程CAD/CAE 一體化教學(xué)方法實踐應(yīng)用

這一部分列舉了學(xué)生使用CAD/CAE系統(tǒng)進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計的例子。研究對象為鎂合金手機外殼，成型方法為壓鑄。首先要求學(xué)生根據(jù)鑄造工藝要求設(shè)計出澆注系統(tǒng)和溢流槽，并使用造型軟件PRO/E繪制出三維實體模型，最后輸出為華鑄CAE軟件要求的.STL格式文件。圖1為STL文件導(dǎo)入華鑄CAE模擬軟件后的預(yù)覽。模型經(jīng)網(wǎng)格剖分，賦予準(zhǔn)確的材料參數(shù)和邊界條件后，得到如圖2所示的充型過程中的金屬液速度矢量分布圖。

圖1 手機外殼實體模型及工藝圖

圖2 金屬液速度矢量分布圖

由圖2分析可知，金屬液通過澆注系統(tǒng)，先由手機外殼兩端及中間四個橫向較寬部位沖進(jìn)，然后向內(nèi)部中心位置填充。0.04s時，由于手機按鍵之間間隔較窄，金屬液不易進(jìn)入，兩端金屬液速度較快。0.08s時，手機外殼底部兩端以及手機屏幕兩端金屬液對薄壁沖擊，飛濺嚴(yán)重，充型不穩(wěn)定，容易造成卷氣與冷隔，從而使該部位產(chǎn)生缺陷。0.1s時，金屬液填充速度趨于平穩(wěn)，但其按鍵拐角及按鍵之間處仍有卷氣產(chǎn)生，容易使金屬液氧化以及產(chǎn)生冷隔現(xiàn)象。由此可以看出鑄件邊緣部位充填較好，流動有序，但鑄件中心部位從填充開始到結(jié)束均可能有缺陷產(chǎn)生，在手機外殼部分拐角處必然會出現(xiàn)卷氣，冷隔等缺陷，因此必須對目前的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 工藝改進(jìn)

根據(jù)對方案一的模擬結(jié)果分析，對手機外殼鎂合金壓鑄工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)如圖3所示。為了使充型時液流速度更為平穩(wěn)，將手機按鍵由長方形改變?yōu)闄E圓，手機屏幕四角做了四個圓角。將澆注系統(tǒng)改為由兩端澆入，設(shè)置兩端各3個共6個內(nèi)澆道，為防止?jié)茶T時兩端進(jìn)入的鎂液在中部相遇時互相沖擊，需將內(nèi)澆道傾斜一定角度。

圖3 改進(jìn)的手機外殼工藝圖

2.2 工藝改進(jìn)后的模擬分析

對鑄件色溫填充的分析：圖4為鑄件凝固液相的模擬結(jié)果，從圖4可以看出，鑄件充型后，鎂合金液體從手機外殼的中間部位開始凝固，然后向鑄件兩端有序的凝固，整個凝固過程平穩(wěn)，鑄件并無未凝固的部位。實現(xiàn)了順序平穩(wěn)凝固，溢流槽補縮充足，降低了產(chǎn)生缺陷的可能性。可見，學(xué)生通過對鎂合金手機外殼工藝的數(shù)值模擬，再現(xiàn)了鎂合金手機外殼充型過程，并且很好地改善了工藝，減少了缺陷的形成。

3 鑄造過程CAD/CAE 一體化教學(xué)方法分析

1）要以鑄造方向?qū)I(yè)課基本理論、基礎(chǔ)知識為依據(jù)進(jìn)行工藝分析和設(shè)計。要明確CAD/CAE設(shè)計系統(tǒng)不僅為了直觀，更重要的是為了減少設(shè)計錯誤，減輕設(shè)計工作量，把問題消滅在初始階段。教師在授課時要注意對案例涉及的知識點（基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識）講解透徹，明了。

2）要有扎實的實踐基礎(chǔ)，要多了解零部件的工藝過程。事實上，三維CAD/CAE設(shè)計就是零部件加工過程的計算機仿真。在編寫上機實驗案例時，要進(jìn)行充分的工程實踐調(diào)研，制定合理的、有代表性的培訓(xùn)實例。

3）要注重理論和實踐相結(jié)合。三維軟件的實踐性很強，如果只學(xué)不用，永遠(yuǎn)也不會收到好的學(xué)習(xí)效果。要學(xué)會在用中學(xué)習(xí)，這樣才能提高興趣。

圖4 色溫填充示意圖

4 結(jié) 論

采用本文提出的培養(yǎng)方式，2012屆學(xué)生在永冠杯大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽中榮獲大學(xué)本科組一等獎一項，三等獎四項，優(yōu)秀獎一項，同時榮獲大賽組委會頒發(fā)的優(yōu)秀組織獎?？梢哉f，通過鑄造方向?qū)I(yè)課的基礎(chǔ)知識與CAD/CAE計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的有機結(jié)合，學(xué)生不僅完全掌握了《CAD技術(shù)》這門課程教學(xué)大綱要求的內(nèi)容，而且為今后繼續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)知識創(chuàng)造了寶貴的實踐機會，也為我們的課程改革研究提供了重要的啟示。

[1]陳伯雄.三維設(shè)計是CAD技術(shù)應(yīng)用的必然趨勢[J］.計算機輔助設(shè)計與制造，2000（8）：11-13.

[2]陳日軍，黑玉龍，宋彬.鑄造工藝模擬CASTsoftCAD/CAE技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計及優(yōu)化中應(yīng)用[J］.鑄造技術(shù)，2011，32（10）：1403-1405.