圍繞工程案例的金屬塑性成形綜合實驗平臺設計

金朝陽+++嚴凱+++孫進+++張琦

【摘要】針對工程案例中存在的實際問題，通過教師引導與學生自主學習相結合的方法，將原先分別設置的各課程單項實驗進行整合，同時引入工程案例和計算機仿真訓練，構建包含三維造型與模具拆裝、物理模擬與數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化與實物實驗相結合的綜合實驗平臺，增強了專業(yè)知識學習的靶向性，有利于學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

【關鍵詞】工程案例 綜合實驗 模擬仿真

【基金項目】2017年度江蘇省、揚州大學研究生教改課題“融合OBE和OBI的專業(yè)學位研究生技術創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究與實踐”（XJGLX_006）。

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）48-0244-01

一、引言

材料成型與控制專業(yè)隸屬于揚州大學材料科學與工程一級學科和材料加工工程二級學科，金屬塑性成形是材料成型與控制專業(yè)的一個重要模塊，目前開設的實驗主要包括：模具拆裝實驗、應力-應變曲線測試實驗，板料拉伸成形工藝、圓柱自由鐓粗實驗等，上述實驗多為傳統(tǒng)驗證性實驗。為了實現(xiàn)“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質(zhì)”人才培養(yǎng)目標的要求，有必要在實驗內(nèi)容和實驗方法上對傳統(tǒng)實驗進行整合，同時引入工程案例和計算機仿真訓練，激發(fā)學生思考、探索知識的熱情，提高靈活應用所學知識解決工程實際問題的能力。

二、工程案例庫建設

首先需要根據(jù)金屬塑性成形的教學要求建立工程案例庫。學生經(jīng)分組后自主選擇工程案例進行綜合實驗，并在老師的引導下查閱資料、分析和解決工程問題。因此，典型、豐富的工程案例庫是平臺搭建的關鍵組成部分，本專業(yè)模塊的工程案例庫由學校與企業(yè)合作共建。

三、基于工程案例的綜合實驗平臺構建

（一）三維造型與模具拆裝相結合

本實驗模塊的先修課程是模具結構與三維造型，以某廠家定制的汽車電動馬達直齒圓柱齒輪為例，說明學生進行綜合實驗的完整過程。直齒圓柱齒輪鍛造成形的主要技術難度包括：齒形角隅充填不良、成形載荷高和脫模困難等。為了克服上述問題，引導和安排學生進行資料閱讀，提出以下模具設計方案：1）基于積極摩擦原理，提出浮動凹模和導向柱結構，目的是提高充型效果、降低成形載荷；2）基于約束分流原理在齒輪內(nèi)孔采用軸分流設計，目的是增加自由表面積，降低成形載荷；3）針對脫模困難且設備不具下頂桿機構的問題，設計了鉸鏈連桿結構實現(xiàn)脫模功能。

在教學模具庫中選取合適的模具，引導學生完成模具拆裝實驗，加深學生對模具各部位結構功能、裝配關系和動作過程的理解。隨后根據(jù)上述模具設計思想，由學生應用三維造型軟件，如Solidworks在計算機上實現(xiàn)模具各個零件的三維設計，并完成其裝配和運動仿真。

（二）物理模擬與數(shù)值模擬相結合

有限元（FE）方法是求解金屬塑性變形這類強非線性問題的強有力工具。隨著計算機飛速發(fā)展和FE分析的廣泛應用，有必要對本科生加強這方面的實驗訓練。相關的先修課程包括：金屬塑性成形原理、有限元方法、金屬塑性成形工藝、材料成形過程的數(shù)值模擬等。

針對工程實例，首先將上文中所建立坯料和模具的三維造型文件以“？鄢. igs”格式由FE軟件，如Abaqus的外接接口導入。隨后定義材料屬性、接觸條件，并進行網(wǎng)格劃分。本構關系，即應力應變關系是模擬所需的重要材料特性。如果本構數(shù)據(jù)并沒有包含在FE軟件自帶的材料庫中，則可以由Gleeble物理模擬試驗測量獲得，并通過二次開發(fā)接口輸入。然后定義工況，應用求解器求解計算。最后，通過后處理模塊顯示和分析模擬結果。

（三）工藝優(yōu)化與實物實驗相結合

根據(jù)模擬結果進行模具受力分析和成形缺陷預測，對模具結構和工藝設計提出改進措施。應用優(yōu)化設計方案在液壓機或伺服壓機上開展塑性成形實驗。實驗老師須首先進行設備和操作安全檢查，隨后指導學生進行模具安裝調(diào)整作業(yè)。仍以直齒圓柱齒輪為例，成形模具由上下壓板分別固定在壓力機上下工作臺上，坯料放在浮動凹模型腔中，試驗機上壓頭帶動凸模與坯料接觸后，推動凹模和坯料同時向下運動，實現(xiàn)摩擦力輔助成形。齒輪成形后，上壓板帶動凸模上移，兩側(cè)鉸鏈連接的桿伸長拉直，帶動頂料齒輪上行實現(xiàn)脫模。比較不同工藝制備齒輪的模擬結果與實驗結果，分析其對成形質(zhì)量的影響。

四、結語

基于工程案例的綜合實驗平臺以培養(yǎng)卓越的、面向企業(yè)的應用型技術人才為目標，覆蓋了金屬塑性成形原理、塑性成形工藝、模具結構與三維造型、材料成形過程數(shù)值模擬和有限元法等先修課程，一方面引入三維造型技術和數(shù)值模擬技術，加強仿真訓練；另一方面積極與企業(yè)合作建立工程案例庫，所構建的綜合實驗平臺實現(xiàn)了工程案例從問題提出、分析思考、設計優(yōu)化和實物實驗這一整個工程問題的分析流程，將傳統(tǒng)驗證性實驗的被動學習模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W習思考的主動學習模式，有效彌補課堂理論教學的不足，培養(yǎng)學生應用所學知識分析問題和解決問題的能力。

作者簡介：

金朝陽（1973.3-），女，回族，江蘇揚州人，博士，揚州大學機械工程學院副教授，研究方向：金屬塑性成形過程數(shù)值模擬研究。endprint