壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目建設(shè)與教學(xué)實踐

陳元芳 屈亞龍 劉 春

（重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400054）

壓力鑄造，簡稱壓鑄，是液態(tài)金屬材料重要的成型方法之一，壓鑄生產(chǎn)實踐是材料成型及控制工程專業(yè)學(xué)生重要的實踐環(huán)節(jié)。

采用真實裝備進行實驗教學(xué)存在如下問題：（1）需要各種儀器和設(shè)備，許多儀器價值昂貴、體積大，前期投入大，但功能卻單一且固定；（2）運行過程中電、液、氣等資源消耗大，設(shè)備后期維護成本高，有些設(shè)備運行環(huán)境極端，操作危險性高；（3）現(xiàn)場壓鑄生產(chǎn)，無法觀察到鑄件的成型過程，無法觀察到壓鑄機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動作原理；（4）受資金、場地的限制，無法滿足學(xué)生實際動手能力培養(yǎng)的需要，無法實現(xiàn)開放、自主設(shè)計，創(chuàng)新型實驗更是難以開展；（5）真實的設(shè)備操作精密，很難開放共享；（6）生產(chǎn)企業(yè)給學(xué)生一線實踐的空間小，專業(yè)實習(xí)多為走馬觀花，實習(xí)難以到達預(yù)期的效果。

因此，運用計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)具有良好交互性能的虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，以其逼真的視覺效果、強烈的沉浸感、良好的交互性、平臺的可擴展性逐步取代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)具有廣泛的現(xiàn)實需求。

1 實驗?zāi)康?/h2>

壓鑄生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目通過融入壓鑄生產(chǎn)企業(yè)的實際案例，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的方法，構(gòu)建全流程、高仿真、強交互性的壓鑄成型虛擬仿真實驗項目，達到以下實驗?zāi)康模簩W(xué)生在虛擬環(huán)境中，不受時間、空間的制約，隨時、隨地進入虛擬實驗室進行虛擬實驗項目操作，使學(xué)生進一步掌握壓鑄模具結(jié)構(gòu)、各部件裝配關(guān)系及拆裝順序；掌握壓鑄機的動作原理及結(jié)構(gòu)組成，掌握壓鑄機選型方法等知識。通過在虛擬場景中身臨其境和自主控制的人機交互，提高專業(yè)興趣，啟發(fā)創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)獨立進行方案設(shè)計和問題解決的能力。

2 實驗涉及知識點

壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目以前蓋壓鑄件實際生產(chǎn)為例，按照壓鑄生產(chǎn)實際生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)流程，構(gòu)建了壓鑄生產(chǎn)全實景三維虛擬仿真實驗平臺。將企業(yè)的制造理念、工作模式融入虛擬實驗教學(xué)組織和教學(xué)流程之中，注重積極培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識和工程實驗?zāi)芰?。該虛擬實驗項目，主要包括虛擬合金熔煉、虛擬模具拆裝、虛擬壓鑄模具安裝、虛擬壓鑄成型、虛擬鑄件切邊、虛擬打磨、虛擬時效處理、虛擬拋丸處理、虛擬檢測九個部分。實驗涉及知識點如下：

2.1 合金熔煉

根據(jù)鑄件材料要求進行配料，設(shè)置適當(dāng)?shù)娜蹮捁に噮?shù)，合理添加除渣劑；運用旋轉(zhuǎn)吹氣進一步凈化合金熔液，有效提升冶金質(zhì)量。

2.2 模具結(jié)構(gòu)拆裝

通過虛擬壓鑄模具裝配，學(xué)生模擬鉗工把以備好的壓鑄模進行拆裝，掌握零部件間的拆裝順序、配合關(guān)系，掌握模具整體結(jié)構(gòu)、各零部件特點及技術(shù)要求。

2.3 模具安裝

壓鑄模具必須與壓鑄機適配，相關(guān)安裝尺寸、位置必須匹配。

2.4 壓鑄成型

壓力鑄造是壓鑄機將高溫融熔金屬液，在高速高壓狀態(tài)下以一定的工藝條件快速充填型腔，并在一定壓力作用下快速冷卻的鑄造方法。壓鑄時金屬液按填充型腔的過程，是將壓力、速度、溫度以及時間等工藝因素得到動態(tài)平衡的過程。壓力鑄造分為熱室壓鑄機壓力鑄造和冷室壓鑄機壓力鑄造兩類。

本實驗項目以冷室臥式壓鑄機為例進行壓鑄成型實驗。冷室臥式壓鑄的過程是：合模后，金屬液澆入壓室，壓射沖頭向前推動，金屬液經(jīng)澆注系統(tǒng)充填模具型腔，凝固冷卻后成型壓鑄件，隨后壓鑄機動模板移動使模具動模與定模分開，模具打開，鑄件在推出機構(gòu)作用下推出，取出鑄件，完成一個壓鑄循環(huán)。

2.5 鑄件清理

（1）切邊。利用切邊機、切邊模去除鑄件水口流道、溢流系統(tǒng)及飛邊，去除大部分多余的材料；（2）打磨。用手工去除殘留的批鋒毛刺。

2.6 時效處理

時效處理是將鑄件加熱到某一溫度并保持一段時間，使鑄件基體達到穩(wěn)定狀。

2.7 噴丸處理

對鑄件表面進行清理和表面強化處理。

2.8 鑄件檢測

JEW SPC測量系統(tǒng)是基于坐標(biāo)測量的，將各被測幾何元素的測量轉(zhuǎn)化為對這些幾何元素上一些點集坐標(biāo)位置的測量，在測得這些點的坐標(biāo)位置后，再根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值經(jīng)過數(shù)學(xué)運算求出其尺寸和形位公差。

3 實驗實施過程

學(xué)生通過廣域網(wǎng)經(jīng)由開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺鏈接到本項目，在線上預(yù)先按照圖中實驗教學(xué)流程自由地進行理論學(xué)習(xí)和仿真操作，而教師則在線進行答疑。

（1）預(yù)習(xí)?；趩栴}的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)，教師提前布置預(yù)習(xí)任務(wù)，了解實驗?zāi)康?、實驗原理、鑄件分析內(nèi)容、模流分析方法等，以預(yù)習(xí)考核方式引導(dǎo)學(xué)生主動預(yù)習(xí)。仿真平臺24小時向?qū)W生開放，在規(guī)定的時限內(nèi)，學(xué)生登錄仿真平臺進入“預(yù)習(xí)”系統(tǒng)預(yù)習(xí)實驗。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)仿真實驗并進行考核。學(xué)生在理論學(xué)習(xí)、預(yù)習(xí)后，需在開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺中進行考核，考核成績合格后，方能取得學(xué)習(xí)仿真實驗的資格，授課教師才向其開放仿真學(xué)習(xí)資源。

4 實驗方法

（1）工藝介紹：學(xué)生通過網(wǎng)站中的背景介紹、教學(xué)資源介紹學(xué)習(xí)前蓋壓鑄生產(chǎn)工藝介紹自主學(xué)習(xí)工藝流程、相關(guān)設(shè)備操作等。

（2）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺介紹：打開瀏覽器，在地址欄中輸入實驗項目展示網(wǎng)站網(wǎng)址，點擊頁面中的“登錄入口”按鈕。先選課，然后再開始實驗，圖1所示為開始實驗頁面。學(xué)生通過網(wǎng)站中的學(xué)生使用手冊，自主學(xué)習(xí)網(wǎng)站使用方法，圖2所示為平臺使用手冊下載頁面。

圖1：開始實驗界面

圖2：平臺使用手冊下載

（3）軟件詳細(xì)演示：學(xué)生根據(jù)網(wǎng)站中的教學(xué)演示視頻，自主學(xué)習(xí)3D仿真軟件進行全流程壓鑄生產(chǎn)相關(guān)操作，使學(xué)生掌握相關(guān)設(shè)備操作方法。

（4）上機模擬：學(xué)生進行3D操作模擬，模擬合金熔煉、模擬模具安裝、模擬壓鑄成型、模擬鑄件清理、模擬時效處理、模擬拋丸、模擬檢測等生產(chǎn)過程。

（5）在線協(xié)同操作：網(wǎng)上可設(shè)置虛擬班組，如7人一班，每人一個工位，根據(jù)“虛擬生產(chǎn)任務(wù)”分合金熔煉、模具安裝、模擬壓鑄成型、模擬鑄件清理、模擬時效處理、模擬拋丸、模擬檢測工位進行仿真聯(lián)合操作，共同完成虛擬生產(chǎn)任務(wù)。

（6）在線考核：教師提出預(yù)習(xí)考核內(nèi)容和操作考核內(nèi)容，學(xué)生進行考試，成績自動保存到教師機。

（7）實驗報告：對前蓋壓鑄生產(chǎn)原理、工藝流程、操作步驟等撰寫仿真生產(chǎn)實驗報告，并在線上傳。

5 實驗教學(xué)項目特色

5.1 壓力鑄造虛擬仿真綜合實驗項目特點

（1）“以虛補實，虛實結(jié)合”的虛擬實驗項目，解決了壓力鑄造生產(chǎn)實驗過程復(fù)雜、實驗設(shè)備昂貴、現(xiàn)場實驗危險大、實體教學(xué)實驗難以開展的問題。

（3）以工程認(rèn)證理念和新工科人才培養(yǎng)要求為導(dǎo)向，交叉融合壓鑄成型工藝及模具方面的知識點，構(gòu)建虛擬實驗場景，實現(xiàn)模擬壓鑄生產(chǎn)的“全流程工藝過程”，讓學(xué)生感受到完全“真實”的工業(yè)化生產(chǎn)運行環(huán)境，使學(xué)生在虛擬實訓(xùn)中掌握壓鑄工藝?yán)碚摗⒃O(shè)備及操作等知識，有效鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

5.2 教學(xué)方法

“以學(xué)為中心”，以問題為導(dǎo)向，案例貫穿全流程的推進自主式和探究式學(xué)習(xí)模式，通過線上線下相結(jié)合的個性化、智能化實驗教學(xué)新方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。同時，依托在線平臺，實現(xiàn)虛擬“認(rèn)識實習(xí)”、“生產(chǎn)實習(xí)”和真實的“實訓(xùn)操作”，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)空間，是集“教學(xué)、實驗、考核”于一體的全新教學(xué)模式。

5.3 多元化評價體系

評價體系為以“學(xué)生為中心”的多元化評價體系，以實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗結(jié)果、實驗報告“四位一體”全面考核和評價學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，同時建立學(xué)生電子檔案，采取學(xué)生自評、小組評價、教師評價相結(jié)合的方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

5.4 傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

運用3D仿真、VR在線交互等現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)三維交互虛擬仿真實驗系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，通過開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺，加強資源的有序整合和有效對接，實現(xiàn)資源的交叉訪問、在線學(xué)習(xí)、操作、測試等，實現(xiàn)對傳統(tǒng)理論教學(xué)和實驗教學(xué)的延伸和拓展。

6 教學(xué)效果

本實驗項目可達到以下教學(xué)效果：

（1）利用虛擬仿真技術(shù)，將合金熔煉、模具拆裝、壓鑄模具安裝、壓鑄成型、鑄件切邊、打磨、時效處理、拋丸處理、檢測在虛擬仿真環(huán)境中逼真體現(xiàn)，可以大大提高教學(xué)過程的直觀性。

（2）通過壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目的訓(xùn)練，顯著提高學(xué)生的自學(xué)能力、查閱文獻資料能力、實驗技能和動手能力、分析和解決實際工程問題的能力。

（3）壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目重視認(rèn)知、技能、分析等多種教學(xué)目標(biāo)的協(xié)同達成，同時注重階段性目標(biāo)和方向性目標(biāo)的有機結(jié)合，有利于整體教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

（4）壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目注意教材各知識點的內(nèi)在聯(lián)系，合理統(tǒng)籌規(guī)劃教與學(xué)的內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)符合學(xué)生的心理結(jié)構(gòu)特色。

7 結(jié)語

針對壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真實驗教學(xué)資源相對匱乏的現(xiàn)狀，筆者及所在教學(xué)團隊開發(fā)了壓力鑄造生產(chǎn)虛擬仿真綜合實驗項目?；谡鎸嵻囬g場景實地測繪、建模，綜合運用虛擬儀器、有限元仿真軟件、三維場景與VR、人機在線交互等技術(shù)，逼真再現(xiàn)了合金熔煉、壓鑄模具安裝、壓鑄成型、鑄件清理、鑄件時效處理、噴丸處理、鑄件檢測等全工藝流程。該虛擬實驗教學(xué)項目，以虛補實，支持學(xué)生在線訪問，自主操作設(shè)備完成各工藝實驗。學(xué)生通過在線虛擬仿真實驗，加深對壓鑄成型原理、壓鑄模具結(jié)構(gòu)、壓鑄工藝參數(shù)等知識的理解，解決了壓力鑄造實體實驗受場地限制、操作危險高、高成本、高能耗難以開展的問題。