摘 要 文章針對鋁合金型材擠壓滾彎實(shí)驗(yàn)周期長、成本高、危險性大的問題，以及學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力不足的現(xiàn)狀，利用虛擬仿真技術(shù)，通過優(yōu)化探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將鋁合金加工領(lǐng)域最先進(jìn)的成形技術(shù)及團(tuán)隊(duì)科研成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)了擠壓滾彎工藝探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。讓學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件的限制，通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究擠壓滾彎工藝參數(shù)對型材質(zhì)量的影響規(guī)律，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及創(chuàng)新能力，同時大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，提升了材料成型及控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；擠壓滾彎；鋁合金型材

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.22.016

Development and Practice of Virtual Simulation Experiment for Aluminum

Profile Extrusion and Rolling Bending

LEI Shengyuan1，2， TANG Hongqun1，2， WEI Chunhua1，2

（1. School of Resources， Environment and Materials， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004;

2. Key Laboratory of High Performance Structural Materials and Thermo-surface Processing （Guangxi University），

Education Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region， Nanning， Guangxi 530004）

Abstract To address the problems of long cycle， high cost， high risk， and insufficient ability of students to solve complex engineering problems in aluminum profile extrusion and roll bending forming experiments， by employing virtual simulation technology and optimizing exploratory experimental teaching content， this study integrates the most advanced forming technology and team research achievements in the aluminum alloy processing field into experimental teaching and thus develops an extrusion and roll bending forming virtual simulation experimental system. This system can break through the limitations of traditional experimental conditions， allow students to independently design experiments to explore the impact mechanisms of process parameters for extrusion and roll bending on the quality of profiles， thereby improving their self-learning and innovation abilities， greatly reducing experimental costs， and improving the quality and level of experimental teaching of the major.

Keywords virtual simulation experiment; extrusion and rolling bending; aluminum profile

廣西具有豐富的鋁資源，但以中低端產(chǎn)業(yè)為主，精深加工占比偏低[1]。因此，為了更好地服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，必須進(jìn)行專業(yè)課程改革，建立優(yōu)勢課程優(yōu)勢專業(yè)，構(gòu)建鋁加工產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)模式，將企業(yè)需求與學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)對接，與企業(yè)共建應(yīng)用型課程。然而，鋁加工實(shí)驗(yàn)普遍具有高溫、高壓以及高能耗等困難因素[2-3]，特別是鋁合金型材擠壓滾彎實(shí)驗(yàn)具有周期長、成本高、危險性大等特點(diǎn)，這使得在實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生參與度不高，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。虛擬仿真技術(shù)具有安全、高效、成本低，以及可反復(fù)操作等優(yōu)勢，十分適合于這類具有安全風(fēng)險的實(shí)踐類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。李紅[8]、李衛(wèi)平[9]、朱麗華[10]等基于自身的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求開發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，這與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形成了良性互補(bǔ)，均取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因此，針對當(dāng)前材控專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題，本文提出以虛擬仿真為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

1" 利用虛擬仿真創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系

新工科背景下，要求工程科技人才具備更好的解決復(fù)雜工程問題的能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，成為具有跨界整合能力、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才。這就需要學(xué)校與企業(yè)合作更加深入，在實(shí)驗(yàn)課程中實(shí)現(xiàn)“實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與企業(yè)工作流程對接”和“教學(xué)案例與企業(yè)實(shí)戰(zhàn)對接”，與企業(yè)“共建應(yīng)用型課程”。在此基礎(chǔ)上，以南寧某企業(yè)鋁合金型材擠壓滾彎加工流程為主線，以具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為載體，按照“工程基礎(chǔ)”“工程技能”“工程綜合”“工程創(chuàng)新”四個階段，以“層次遞進(jìn)，逐步提升”的思路來培養(yǎng)學(xué)生，并按照該思路重構(gòu)實(shí)踐課程體系。鑒于擠壓滾彎實(shí)驗(yàn)的特殊性，為了縮短實(shí)驗(yàn)周期，減少實(shí)驗(yàn)成本和確保學(xué)生的安全，實(shí)驗(yàn)需要通過虛擬仿真的手段來進(jìn)行，通過設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生自主思考、主動解決問題的能力，配合全過程的實(shí)驗(yàn)考核，最終形成具有本土特色的教學(xué)新模式。

2" 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)過程

2.1" 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)按照國家級一流課程" “兩性一度”課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)，主要包括正常模式和探究模式。正常模式是教師按順序提示操作步驟，學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)器材，自主輸入?yún)?shù)，如果參數(shù)偏離正常值過大則教師會提示，直至參數(shù)在合理的范圍內(nèi)，學(xué)生具有一定的獨(dú)立性，可以有效地提升其實(shí)驗(yàn)操作水平，熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作；探究模式是由學(xué)生自由輸入擠壓滾彎工藝參數(shù)，教師不設(shè)置任何限制，學(xué)生具有較高的獨(dú)立性和自由性，在進(jìn)行多次探究后，可以聯(lián)合各次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出變化趨勢圖，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，理解工藝參數(shù)的影響機(jī)理。仿真實(shí)驗(yàn)是為專業(yè)核心課程“金屬塑性成形工藝與裝備”以及“材料成型原理”課程開發(fā)的教學(xué)案例，包含4個實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)、12個關(guān)鍵知識點(diǎn)和12個交互性操作步驟。

2.2" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

鋁合金型材擠壓滾彎成型工藝探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，主要包括鋁合金型材擠壓與滾彎兩個緊密銜接的內(nèi)容，共4學(xué)時。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中采用問題引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動的探究式教學(xué)方法，實(shí)行線上線下教學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。課程教學(xué)前，教師將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求和案例、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、相關(guān)的鋁合金理論教材和視頻等發(fā)給學(xué)生。學(xué)生自主學(xué)習(xí)鋁合金型材擠壓和滾彎成型的相關(guān)理論，并針對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行準(zhǔn)備。課上，教師通過鋁合金型材的應(yīng)用引發(fā)的理論與技術(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研討交流，然后以實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)為依托，引導(dǎo)學(xué)生嘗試在線實(shí)驗(yàn)操作，提出問題，并根據(jù)所學(xué)理論進(jìn)行探究和分析，找出解決問題的辦法。最后學(xué)生在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提交實(shí)驗(yàn)報告。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中起到引導(dǎo)、釋疑和推動作用。

2.2.1" 擠壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

正常模式下，擠壓實(shí)驗(yàn)的目的是要獲得合格的擠壓鋁合金型材，需要注意的問題如下。

①根據(jù)任務(wù)書中型材的要求，選擇合適的鋁合金材料，一般為6系（以下參數(shù)設(shè)置以6005為例）；合適的擠壓機(jī)按坯料擠噸位選擇；合適的模具結(jié)構(gòu)，原則是分流孔分布均勻有利于鋁合金均勻流出，模具一般選用凸臺式結(jié)構(gòu)。

②根據(jù)型材的長度和擠壓比選擇合適的鑄錠長度，按任務(wù)書給出的默認(rèn)的型材長度，鑄錠計(jì)算長度約為853mm，直徑488mm。

③設(shè)置合理的鑄錠加熱溫度，注意需要分段加熱，一般為350―650℃。

④正確組裝擠壓模具，設(shè)置模具溫度，一般在500℃左右。

⑤設(shè)置擠壓筒溫度，一般在315―570℃之間。

⑥設(shè)置擠壓速度，一般為0.53―2.65mm/s，冷卻方式一般選擇水冷。

最后觀察型材擠出是否合格，當(dāng)擠出溫度均勻時型材產(chǎn)品的質(zhì)量較好，系統(tǒng)可以給出實(shí)驗(yàn)得出的擠出溫度與時間的關(guān)系圖，以及型材的表面質(zhì)量、力學(xué)性能、微觀組織。

2.2.2" 滾彎實(shí)驗(yàn)以及探究實(shí)驗(yàn)

在完成擠壓基本實(shí)驗(yàn)之后，可以開始滾彎實(shí)驗(yàn)，需要注意的問題如下。

①按正確順序選擇滾彎機(jī)零件，安裝好輥輪片。

②安裝好輥輪后，必須用平尺檢查輥軸X上的側(cè)輥片和輥軸Y上的側(cè)輥片是否平齊，以及輥軸X上的側(cè)輥片與輥軸Z上的側(cè)輥片是否平齊。拖動擺桿將型材與三個輥輪對齊。

③“Y壓緊點(diǎn)微調(diào)”值一般設(shè)置為0.47。

④合理設(shè)置滾彎上輥下壓量，一般為2―12mm。

⑤合理設(shè)置滾彎速度，一般為20―40mm/s。

最后進(jìn)行滾彎實(shí)驗(yàn)，并測量H值，L=1.2m，按公式（1），算出型材半徑，系統(tǒng)可以自動算出回彈量。

（1）

2.2.3探究實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最核心的內(nèi)容是學(xué)生可以進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，下面以型材滾彎實(shí)驗(yàn)為例，探討下壓量與回彈量的關(guān)系。首先需要完成基本的擠壓實(shí)驗(yàn)、滾彎實(shí)驗(yàn)，方可進(jìn)入探究實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，修改滾彎上輥下壓量，得到不同的回彈量。進(jìn)行多次滾彎實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)可記錄數(shù)據(jù)，獲得下壓量與回彈量之間的關(guān)系。

上面的實(shí)驗(yàn)過程可以循環(huán)重復(fù)進(jìn)行，即學(xué)生可以反復(fù)設(shè)置工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用開放式的學(xué)習(xí)模式，依靠網(wǎng)絡(luò)平臺的便利性，學(xué)生可在課下自主選擇時間、地點(diǎn)登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)入探究模式進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。探究學(xué)習(xí)中的中間結(jié)果都可以暫存，學(xué)生可在不同的時段多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，直至完全掌握相關(guān)知識。探究性實(shí)驗(yàn)給予學(xué)生充分的自由來探索學(xué)習(xí)，有利于發(fā)揮其主觀能動性。

2.3" 實(shí)驗(yàn)成績評價

基于工程教育理念，本仿真實(shí)驗(yàn)課程將實(shí)行全過程考核，以最終型材產(chǎn)品效果和實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提升為考查對象。具體方案是，將考核成績分為兩部分，一部分是最終產(chǎn)品效果和實(shí)驗(yàn)報告成績得分，該部分由教師根據(jù)型材產(chǎn)品和實(shí)驗(yàn)報告質(zhì)量進(jìn)行評分。另一部分是個人能力綜合得分，這部分得分是根據(jù)學(xué)生平時課堂個人表現(xiàn)以及答辯情況給分，重點(diǎn)看學(xué)生對型材擠壓滾彎工藝的理解，看其在實(shí)驗(yàn)過程中解決或者探討了什么問題。最終目的是構(gòu)建以能力為導(dǎo)向的綜合學(xué)業(yè)評價體系，以“結(jié)果評價為主”向“過程與結(jié)果評價相結(jié)合”轉(zhuǎn)變，推進(jìn)考核方式多元化，考查學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，探索注重能力考核和過程考核的考核方式。

3" 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)施情況

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目自2018年在廣西大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上線，已在材料成型及控制工程、材料科學(xué)與工程等專業(yè)本科生“鋁合金型材擠壓滾彎成型工藝探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”中使用。目前，該課程被認(rèn)定為第二批國家級一流本科課程，并在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺上線，上線以來被使用2600余次，獲得了教師和學(xué)生的認(rèn)可，并被青海大學(xué)等相關(guān)高校采用。

4" 結(jié)語

鋁合金型材擠壓滾彎成型工藝探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)克服了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中成本高、周期長、不可逆且實(shí)驗(yàn)過程無法實(shí)時呈現(xiàn)的弊端，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠充分運(yùn)用材料成型專業(yè)知識，通過實(shí)驗(yàn)探究工藝參數(shù)對型材質(zhì)量的影響，可反復(fù)推演實(shí)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的交互性。沉浸式場景的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，團(tuán)隊(duì)研究成果的融入加深了實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度，最終提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新、獨(dú)立解決復(fù)雜工程問題的能力具有重大意義。

*通信作者：湯宏群

基金項(xiàng)目：教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（E-CL20201934）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2023JGB117，2023JGB119，2021JGB119，2021JGZ105）。

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