虛擬仿真在壓鑄工藝及模具設(shè)計課程中的開發(fā)建設(shè)

龔海軍　舒吉平　宋鵬　張繼祥　盧紅林

［摘 要］為適應(yīng)本科教學改革和人才培養(yǎng)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(fā)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(tǒng)方案下的充型凝固和缺陷預測等為主要內(nèi)容的虛擬仿真實驗課程。通過仿真實驗建設(shè)，使壓鑄工藝及模具設(shè)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(guān)鍵詞］虛擬仿真；金課；課程開發(fā)；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(xiàn)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(lǐng)域應(yīng)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(tǒng)和機構(gòu)設(shè)計不合理，也會引起各種壓鑄缺陷[2]。由于壓鑄模設(shè)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(fā)《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知》，2019年10月教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，兩個文件都指出要堅持需求導向，緊密結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求來開發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)達，壓鑄人才需求旺盛[5]。重慶交通大學（以下簡稱“我?！保┙Y(jié)合材料成型及控制工程（材控）專業(yè)定位和人才培養(yǎng)目標，為提升專業(yè)教學水平，打造虛擬仿真“金課”，批準啟動壓鑄工藝及模具設(shè)計（以下簡稱“壓鑄”）虛擬仿真實驗課程建設(shè)。

一、壓鑄虛擬仿真“金課”建設(shè)的目標、任務(wù)及原則

壓鑄虛擬仿真“金課”建設(shè)目標，就是適應(yīng)社會對人才培養(yǎng)的新要求、新特點、新規(guī)律，提高本科學生壓鑄工藝實踐能力和模具設(shè)計創(chuàng)新精神，依托PC和網(wǎng)絡(luò)，以材控專業(yè)急需的壓鑄工藝及模具設(shè)計課程實驗教學信息化內(nèi)容為指向，完整覆蓋課程核心和重點內(nèi)容，積極實踐線上線下教學相結(jié)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(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，掌握影響壓鑄過程的工藝分析方法，全面培養(yǎng)學生綜合分析、探究創(chuàng)新的能力。壓鑄課程核心內(nèi)容及重要應(yīng)用如圖1所示。

為區(qū)別于傳統(tǒng)的“舊課”及以往的“水課”，保障“金課”建設(shè)的水準，高教司提出了“金課”建設(shè)“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(shè)目標，本壓鑄虛擬仿真課程建設(shè)對照“兩性一度”的要求，在建設(shè)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(zhì)量和壓鑄模壽命由多種因素決定，學生短時間內(nèi)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(shè)計不以模具成型零件尺寸和壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計合理為唯一標準，而是將多個因素和變量設(shè)為可變、可調(diào)，以此激發(fā)學生的操作興趣，調(diào)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(chuàng)新創(chuàng)造能力。第二，準確適宜的實驗教學內(nèi)容。由于壓鑄工藝有高溫、高壓和高速的“三高”特點，模具設(shè)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(huán)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(shù)的可視化驗證，以解決壓鑄實驗成本高、環(huán)境差、模具設(shè)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(yè)實驗教學師資力量，按照“誰開發(fā)、誰負責，誰使用、誰負責”的原則，確保穩(wěn)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(fā)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(huán)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(shè)內(nèi)容

（一）壓鑄虛擬仿真實驗教學內(nèi)容與教學規(guī)劃

在以往壓鑄課程的教學過程中筆者發(fā)現(xiàn)，學生對壓鑄零件結(jié)構(gòu)、壓鑄工藝、澆注系統(tǒng)、溢流與排氣系統(tǒng)等模具單獨的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)功能雖有認知，但對影響壓鑄件質(zhì)量、模具壽命等因素和因素間的相互關(guān)系不能完全理解，少部分學生在短時間內(nèi)對壓鑄模由成型零件、模架、抽芯機構(gòu)、推出機構(gòu)等多機構(gòu)組成的復雜空間結(jié)構(gòu)及工作過程也難以理解。為此，壓鑄虛擬仿真實驗的開發(fā)應(yīng)緊貼壓鑄課程的內(nèi)容需求，堅持以問題為導向，本著服務(wù)課程的目的進行建設(shè)開發(fā)，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(nèi)容之間的關(guān)系如圖3所示。

壓鑄虛擬仿真課程建設(shè)以內(nèi)容準確、前后關(guān)聯(lián)、時長合理、難度適宜為準則，著力還原真實實驗的教學內(nèi)容要求、實驗原理、操作環(huán)境及互動感受。本虛擬仿真實驗要求材控專業(yè)學生參加完整的生產(chǎn)實習過程，并依照認知規(guī)律，從“基礎(chǔ)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(nèi)容與教學方法如圖4所示。

（二）壓鑄虛擬仿真實驗教學內(nèi)容

1.壓鑄車間、壓鑄裝備及壓鑄基本知識

結(jié)合壓鑄車間真實場景，采用Unity實時3D平臺開發(fā)，將壓鑄生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的主要內(nèi)容和設(shè)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(tǒng)與壓室相通，動模則隨動模安裝板移動來實現(xiàn)與定模的合模和開模。壓鑄模合模狀態(tài)下的基本結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)出模具的結(jié)構(gòu)及工作原理[7]，壓鑄模三維爆破及運動仿真瞬態(tài)效果見圖6（b）、（c）所示。

3.壓鑄模具澆注、溢流系統(tǒng)關(guān)鍵位置和尺寸仿真驗證實驗

本虛擬仿真實驗項目根據(jù)模具設(shè)計理論，提供3個理論上可行的澆注和溢流系統(tǒng)方案，學生分別觀察不同澆注系統(tǒng)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(nèi)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(shù)的變化引起的充型和凝固現(xiàn)象的不同，從而為壓鑄工藝選擇和模具澆注、排溢等系統(tǒng)的設(shè)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(shù)選擇及模具設(shè)計合理與否的主要判斷依據(jù)就是壓鑄件質(zhì)量的高低。壓鑄件關(guān)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(fā)現(xiàn)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(shù)不合理對于鑄件質(zhì)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(tǒng)方案中最優(yōu)方案的鑄件質(zhì)量，采用組織模擬和掃描電鏡組織照片結(jié)合的方式對比呈現(xiàn)。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(yīng)位置的模擬組織、掃描電鏡組織及X-射線探傷檢測的結(jié)果，從而理解壓鑄參數(shù)對鑄件質(zhì)量和組織的影響。

三、結(jié)束語

本文將壓鑄虛擬仿真實驗應(yīng)用于壓鑄課程的教學中，通過傳動、傳質(zhì)、傳熱的“三傳”壓鑄過程模擬仿真，可對模具澆注和溢流系統(tǒng)、充型和凝固過程、壓鑄缺陷進行輔助設(shè)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(guān)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(fā)現(xiàn)模具設(shè)計的合理與不足之處，加強初學者對壓鑄模整體結(jié)構(gòu)和壓鑄工藝參數(shù)作用的認識。壓鑄虛擬仿真實驗課程的開發(fā)，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(yīng)該掌握的知識，徹底打破了傳統(tǒng)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(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)課堂得以應(yīng)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(fā)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(shè)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(yōu)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(shè)[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(shè)計》虛擬仿真教學系統(tǒng)開發(fā)[J].模具工業(yè)，2018（9）：74-77.

[5] 林林，張小巖，錢楚楚，等.中國壓鑄模具發(fā)展的現(xiàn)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(shè)與實踐[J].教育現(xiàn)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(yīng)用分析[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學學報（上旬刊），2018（3）：9-10.

［責任編輯：陳 明］