孫　騰,吳彤峰,潘宇晨

(欽州學(xué)院　機械與船舶海洋工程學(xué)院,廣西　欽州　535000 )

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沖壓成形虛擬仿真在應(yīng)用技術(shù)大學(xué)教學(xué)改革中的應(yīng)用

孫騰,吳彤峰,潘宇晨

(欽州學(xué)院機械與船舶海洋工程學(xué)院,廣西欽州535000 )

針對沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程教學(xué)過程中具有表現(xiàn)形式抽象、理論紛繁復(fù)雜、學(xué)生聽課積極性不高等問題，提出了采用多媒體教學(xué)與理論知識相融合、實際工程案例與虛擬仿真技術(shù)相融合、文獻閱讀與課程作業(yè)相融合的教學(xué)模式。有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力，增強了學(xué)生對沖壓成形工藝的理解與沖壓模具設(shè)計能力。

沖壓工藝；虛擬仿真技術(shù)； 教學(xué)模式； 應(yīng)用技術(shù)大學(xué)教學(xué)改革

一、引言

沖壓成形工藝及模具設(shè)計是機械制造及其自動化(模具設(shè)計方向)教學(xué)中一門重要的理論基礎(chǔ)課，它包含塑性加工力學(xué)基礎(chǔ)、沖壓成形工藝方法、成形過程中常見的成形缺陷及沖壓模具設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容，要求學(xué)生能夠根據(jù)成形件的特點制定成形工藝流程及設(shè)計模具的方法，或能夠?qū)こ讨鞋F(xiàn)有的工藝方案及模具實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。因此，沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程的教學(xué)質(zhì)量在培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決設(shè)計缺陷方面起舉足輕重的作用。傳統(tǒng)沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程采取教師口頭講解沖壓成形原理，學(xué)生被動聽講卻不知實際生產(chǎn)過程中問題所在，這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式因受到實際條件的限制，使原本枯燥的理論部分更加生澀難懂，師生之間缺乏交流，不利于學(xué)生對沖壓過程中出現(xiàn)的問題充分理解與分析，限制了教學(xué)效果的提高。

應(yīng)用型大學(xué)本科教育著重培養(yǎng)能夠在一線勝任的應(yīng)用工程師[1]。欽州學(xué)院作為教育部首批應(yīng)用技術(shù)大學(xué)改革試點，歷來十分重視學(xué)生的實踐能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。在長期的教學(xué)過程中我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)“填鴨式”的理論教學(xué)已經(jīng)滿足不了飛速發(fā)展的工業(yè)對人才培養(yǎng)的要求，教學(xué)中暴露出的各種問題嚴(yán)重制約了學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力，不能滿足應(yīng)用技術(shù)型人才的培養(yǎng)。為了突破傳統(tǒng)教學(xué)效率低的瓶頸，達到應(yīng)用技術(shù)型本科教育改革面向未來工程師的素質(zhì)要求，項目組的成員充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源、計算機虛擬仿真技術(shù)以及基于文獻閱讀法的課程作業(yè)對沖壓成形工藝教學(xué)模式進行改革，并初步取得了一定效果。本文將從多媒體教學(xué)與理論知識相融合、實際工程案例與虛擬仿真技術(shù)相融合、文獻閱讀與課程作業(yè)相融合的三步教學(xué)法來對沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程教學(xué)方法進行探索和介紹。

二、傳統(tǒng)沖壓成形與模具設(shè)計教學(xué)過程中的問題

欽州學(xué)院沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程共安排了67課時，其中有8課時是實驗課時。傳統(tǒng)沖壓成形課程受制于實驗條件、實驗課時的限制，人才培養(yǎng)途徑較為單一，缺少學(xué)生的實驗與創(chuàng)新平臺，對于鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新性和實踐性顯得十分有限，很難從根本上激活學(xué)生的創(chuàng)造性思維[2-4]。而沖壓成形工藝及模具設(shè)計又是一門概念原理較多，學(xué)習(xí)起來較為枯燥，實踐性極強的課程，如不能生動地結(jié)合工程實例，很難做到理論聯(lián)系實際，更難培養(yǎng)出合格的應(yīng)用技術(shù)人才。

以沖壓成形工藝中的拉伸工藝來說，就包括圓筒形件拉伸、盒形件拉伸、曲面零件成形等不同種情況，不同形狀的零件成形有不同的成形特點及與其相對應(yīng)的產(chǎn)品缺陷，很容易造成學(xué)生概念上的混淆。以沖壓模具設(shè)計為例，對于如何制定沖壓件的工藝方案、毛坯尺寸的確定及生產(chǎn)過程中各種工藝參數(shù)的擇取都需要實踐經(jīng)驗，這給理論教學(xué)帶來了一系列較為困難的問題，使教學(xué)成果大打折扣。針對沖壓工藝及模具設(shè)計課程，如何制定合理、高效的教學(xué)模式改善教學(xué)質(zhì)量，如何與學(xué)生進行深入探討來拓展學(xué)生的學(xué)科視野，如何利用現(xiàn)有平臺充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維并將其轉(zhuǎn)化為科技成果，成為了培養(yǎng)合格的模具設(shè)計師、優(yōu)秀的應(yīng)用技術(shù)型人才的當(dāng)務(wù)之急。

三、應(yīng)用多媒體、虛擬仿真技術(shù)、文獻閱讀鞏固提高理論教學(xué)效果

教學(xué)模式是教學(xué)理論和教學(xué)實踐的綜合體[5]。實驗心理學(xué)家赤瑞特拉的兩個實驗表明，采取多種不同教學(xué)模式來獲取同樣的信息量時，教學(xué)效果會有顯著的提高[6]。因此，針對目前欽州學(xué)院沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程現(xiàn)狀，教研室采取了多媒體教學(xué)與理論知識相融合，實際工程案例與虛擬仿真技術(shù)相融合，文獻閱讀與課程作業(yè)相融合的教學(xué)模式來調(diào)動學(xué)生的積極性，加深學(xué)生對沖壓理論課的理解深度。以筒形零件的多次拉伸成形為例，實施了如圖1所示的教學(xué)模式，充分利用多種教學(xué)模式組合的優(yōu)勢，將教學(xué)理論與教學(xué)實踐綜合在一起，提高了學(xué)生對沖壓成形課程的學(xué)習(xí)主動性與積極性，進而影響教學(xué)效率與質(zhì)量。

圖1　三步法教學(xué)模式流程圖

1.多媒體教學(xué)與理論知識相融合

隨著信息化技術(shù)飛速發(fā)展，多媒體技術(shù)已成為現(xiàn)代大學(xué)課堂中普遍使用的技術(shù)之一，而如何將信息技術(shù)與課程中的理論知識相融合，成為應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)改革的關(guān)鍵[7]。在上理論課時，教師可以利用多媒體教學(xué)的高效率、高速度的特點，將實際生產(chǎn)中復(fù)雜的圖形、各零部件的運動軌跡以及理論課中繁瑣的公式推導(dǎo)，簡明扼要、活靈活現(xiàn)地呈現(xiàn)給大家[8]。

零件沖壓成形通常要經(jīng)歷多道工序，如沖裁、彎曲、拉伸、脹形、翻遍，由于學(xué)生沒有充足的工廠經(jīng)驗，很難想像其動態(tài)生產(chǎn)過程。本課題組將與板料多次拉伸成形有關(guān)的視頻資料、圖片等背景資料融入到課程的PPT中，通過將多媒體技術(shù)與理論知識相融合，對學(xué)生的多種感官進行刺激，促進學(xué)生高效率地獲取知識。

例如，以玉柴機油濾清器外殼成形為例，其實際生產(chǎn)裝備如圖2所示。通過將板料多次拉伸成形制作成視頻，幫助其了解板料多次成形工藝的生產(chǎn)過程，同時，教師可以在播放過程中隨時暫停，將關(guān)鍵的模具成形過程作重復(fù)播放并將其與塑性成形理論相結(jié)合，講解強調(diào)給學(xué)生，加深其對金屬塑性成形理論部分的理解與記憶。另一方面，身臨其境的教學(xué)環(huán)境激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，達到了事半功倍的效果，在課時有限的情況下，有效提高了課堂上的教學(xué)效率。又如，生產(chǎn)一個復(fù)雜沖壓件大都需要經(jīng)過多道工序，而如何制定效率高、經(jīng)濟性好的工藝路線，成為困擾學(xué)生的一個難題，所以，通過錄制視頻，可以讓學(xué)生清晰、直觀地看到不同的工藝路線會對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生什么樣的成形特點，使后續(xù)講述理論課難度明顯降低。通過多媒教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)的有機融合，才能使得兩種教學(xué)相得益彰，最大程度地提高應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的理論課教學(xué)質(zhì)量。

圖2　筒形件工程實際設(shè)備圖

2.實際工程案例與虛擬仿真技術(shù)相融合

在不斷深化自主創(chuàng)新精神，努力建成創(chuàng)新型國家的大背景下，虛擬仿真技術(shù)在提高高等教育質(zhì)量上的作用正不斷凸顯[9]。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日趨完善，科學(xué)建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心以突破傳統(tǒng)教學(xué)中時間空間以及實驗條件的限制已成為國家持續(xù)建設(shè)高水平應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)的重要目標(biāo)。在沖壓成形及模具設(shè)計教學(xué)過程中，教師可以利用計算機技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬流程和場景，并通過人機交互及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)手段模擬工程中實際產(chǎn)品的加工工藝及零件的加工過程，通過虛擬教學(xué)，可以較大程度地減少實驗成本與實驗周期。同時，虛擬仿真實驗過程可控性強，當(dāng)遇到學(xué)生不明白的地方，即可隨時進行重復(fù)操作且無任何安全隱患。通過虛擬教學(xué)可以很好地解決模具設(shè)計及工藝驗證生產(chǎn)周期長、成本高的缺陷。

圖3　筒形件多工步有限元模型

比如，為了使學(xué)生充分理解拉伸成形中材料的拉伸極限系數(shù)，以實際工程案例中玉柴機油濾清器外殼成形為例，其生產(chǎn)工藝擬采用外殼圓片料落料，三次拉伸及一次反拉伸工序，最后進行切邊整形的工藝路線，其成形過程較為復(fù)雜，如果通過教學(xué)儀器來進行教學(xué)實驗，還需配備多套模具及大量工程材料。從安全角度來考慮，學(xué)生未受過系統(tǒng)安全教育培訓(xùn)，生產(chǎn)安全意識相對薄弱，進行沖壓實驗操作比較危險。虛擬仿真實驗通過DYNAFORM軟件建立多工步有限元模型對玉柴機油濾清器外殼正拉伸成形、反拉伸成形過程進行模擬，如圖3所示。根據(jù)模擬的結(jié)果有目的地對凸凹模具間隙、凸凹模圓角、壓邊力等工藝參數(shù)和模具進行優(yōu)化，同時，也提高了學(xué)生對軟件的應(yīng)用水平。圖4為第四步反拉伸成形的結(jié)果，從該軟件生成的動畫中，可以看到凸凹模的運動行程及產(chǎn)生缺陷時的動態(tài)過程，從最終的成形極限圖和減薄圖中可以得到?jīng)_壓件產(chǎn)生缺陷的位置及各位置的減薄具體數(shù)值。針對玉柴機油濾清器外殼成形的實際案例，并基于虛擬仿真技術(shù)進行設(shè)計分析，較大程度地提高了學(xué)生的積極性與主動性，有效地彌補了應(yīng)用技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新性、實踐性不足的缺憾。

圖4　筒形件成形極限圖和減薄圖

3.文獻閱讀與課程作業(yè)相融合

在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確指出，高等教育要培養(yǎng)出適應(yīng)于我國市場經(jīng)濟發(fā)展，能夠勝任一線任務(wù)的創(chuàng)新型人才[10]?？萍嘉墨I的閱讀是科學(xué)研究的起點，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的重要手段和必不可少的環(huán)節(jié)[11]。就培養(yǎng)應(yīng)用型本科大學(xué)生來說，培養(yǎng)實踐能力尤為重要，但培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維也必不可少。文獻閱讀有利于促進學(xué)生了解科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的科研積極性?；谖墨I閱讀法完成課后作業(yè)，可以讓學(xué)生理解為什么要這么做，怎么做才能達成目標(biāo)，做出來的結(jié)果是什么?；谖墨I法完成的課后作業(yè)可以將學(xué)生上課所學(xué)到的理論知識融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生對沖壓成形及模具設(shè)計課程的學(xué)科興趣，并學(xué)以致用，最后通過虛擬仿真驗證自己的設(shè)想。下面列出板料多次拉伸所用到的文獻，如下表所示：

表　筒形件課程作業(yè)所需閱讀參考文獻

其中文獻1向?qū)W生展示了筒形件沖壓成形虛擬仿真過程中會遇到的問題，如何能夠順利建立筒形件的有限元模型；文獻2講述了沖壓成形工藝的設(shè)置；文獻3、4講述了工藝參數(shù)對筒形件成形的影響；文獻5則講述了筒形件的模具改進及設(shè)計方法；文獻6、7、8、9、10則講述了在不同工況、不同工藝條件下，筒形零件的成形特點及相應(yīng)的缺陷改進措施，目的是拓寬學(xué)生的視野，讓學(xué)生更好地了解筒形零件成形的前沿技術(shù)，有利于學(xué)生不拘泥于書本知識，提高學(xué)生的創(chuàng)新性。因此，將課程作業(yè)作為載體，通過文獻閱讀法激活學(xué)生的創(chuàng)新思維，經(jīng)過師生之間充分的研討并通過虛擬仿真實驗作為學(xué)生實踐的創(chuàng)新平臺，是沖壓類模具教學(xué)模式改革中必不可少的環(huán)節(jié)。

四、結(jié)束語

應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)沖壓成形工藝及模具設(shè)計課程改革不僅要求學(xué)生掌握扎實的理論基礎(chǔ)，還要求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力。利用多媒體及互聯(lián)網(wǎng)豐富的聲音、運動圖像，使學(xué)生身臨其境一般體驗生產(chǎn)實踐中復(fù)雜的工藝流程。而實際工程案例與虛擬仿真技術(shù)相融合，生動、直觀地展示了課本上枯燥的知識，加深了學(xué)生對原理的認(rèn)識，同時，也解決了教學(xué)缺少實驗的不足，提供了學(xué)生實現(xiàn)創(chuàng)新思維的平臺，更好地將理論知識融合到實踐生產(chǎn)過程中去，也提高了學(xué)生的CAE水平，迎合了企業(yè)數(shù)字化制造人才的需求。同時，基于文獻閱讀來完成課程作業(yè)，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力，更重要的是讓學(xué)生知道為什么要這么做，怎么做才能達成自己的目標(biāo)，最后通過虛擬仿真來驗證自己的想法是否正確，擺脫了學(xué)生單單做完作業(yè)，而不知道到底學(xué)了什么的尷尬。最后通過師生研討的形式，進行師生交流，提高了學(xué)生對沖壓工藝及模具設(shè)計課程的掌握程度，改革了原來單獨板書的教學(xué)模式，大幅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)積極性。

(責(zé)任編輯：夏璐)

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Virtual Simulation of Stamping Used in Teaching Reform for Application Technology University

SUN Teng,WU Tong-feng,PAN Yu-chen

(Department of mechanical & ship engineering,Qinzhou University Qinzhou 535000, China)

The teaching pattern was reformed according to the traditional course of“ stamping process and die design ” which has many disadvantages such as abstracted form, complicated theory, less enthusiasm and so on. Combinations of multimedia and stamping theory , practical engineering case and virtual simulation experiment, stamping literature reading and student course-work were adopted in this new teaching pattern. It greatly aroused the course leaning interest of students ,cultivating the students' creativeand practical ability, enhanced the students' understanding of stamping process and the ability of die design.

stamping process；virtual simulation technology；teaching pattern;teaching reform for application technology university

G642

A

1671-9719(2016)8-0075-04

孫騰(1988-),男,助教，研究方向為CAD/CAE/CAM。

2016-05-24

2016-06-03

欽州學(xué)院教改項目(2016QYJGB39)；廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目(KY2016LX435)。