鋁合金型材擠壓滾彎虛擬仿真實驗的開發(fā)與實踐

摘 要 文章針對鋁合金型材擠壓滾彎實驗周期長、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)化探究型實驗教學(xué)內(nèi)容，將鋁合金加工領(lǐng)域最先進的成形技術(shù)及團隊科研成果融入實驗教學(xué)，開發(fā)了擠壓滾彎工藝探究虛擬仿真實驗系統(tǒng)。讓學(xué)生能夠在虛擬實驗過程中突破傳統(tǒng)實驗條件的限制，通過自主設(shè)計實驗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，同時大大降低了實驗成本，提升了材料成型及控制工程專業(yè)實驗教學(xué)的質(zhì)量和水平。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實驗；擠壓滾彎；鋁合金型材

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：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)濟發(fā)展，必須進行專業(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)校實驗教學(xué)對接，與企業(yè)共建應(yīng)用型課程。然而，鋁加工實驗普遍具有高溫、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驗具有周期長、成本高、危險性大等特點，這使得在實際教學(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)險的實踐類實驗教學(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]等基于自身的實驗教學(xué)需求開發(fā)了虛擬仿真實驗，這與傳統(tǒng)實驗形成了良性互補，均取得了良好的實驗教學(xué)效果。因此，針對當前材控專業(yè)實驗教學(xué)中的問題，本文提出以虛擬仿真為基礎(chǔ)的實驗教學(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，在實驗課程中實現(xiàn)“實驗實訓(xùn)項目與企業(yè)工作流程對接”和“教學(xué)案例與企業(yè)實戰(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，以具體實驗項目為載體，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，逐步提升”的思路來培養(yǎng)學(xué)生，并按照該思路重構(gòu)實踐課程體系。鑒于擠壓滾彎實驗的特殊性，為了縮短實驗周期，減少實驗成本和確保學(xué)生的安全，實驗需要通過虛擬仿真的手段來進行，通過設(shè)計探究性實驗，鍛煉學(xué)生自主思考、主動解決問題的能力，配合全過程的實驗考核，最終形成具有本土特色的教學(xué)新模式。

2" 虛擬仿真實驗設(shè)計及教學(xué)過程

2.1" 實驗內(nèi)容設(shè)計

虛擬仿真實驗按照國家級一流課程" “兩性一度”課程標準進行內(nèi)容設(shè)計，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)生自主選擇實驗器材，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)生具有一定的獨立性，可以有效地提升其實驗操作水平，熟練掌握實驗操作；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)生具有較高的獨立性和自由性，在進行多次探究后，可以聯(lián)合各次實驗數(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)的影響機理。仿真實驗是為專業(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個實驗教學(xué)環(huán)節(jié)、12個關(guān)鍵知識點和12個交互性操作步驟。

2.2" 實驗教學(xué)過程

鋁合金型材擠壓滾彎成型工藝探究虛擬仿真實驗，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。實驗教學(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，實行線上線下教學(xué)相結(jié)合的實驗教學(xué)模式。課程教學(xué)前，教師將實驗項目的要求和案例、實驗指導(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，并針對實驗內(nèi)容進行準備。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)生進行研討交流，然后以實驗仿真系統(tǒng)為依托，引導(dǎo)學(xué)生嘗試在線實驗操作，提出問題，并根據(jù)所學(xué)理論進行探究和分析，找出解決問題的辦法。最后學(xué)生在實驗系統(tǒng)上整理實驗結(jié)果，提交實驗報告。教師在實驗教學(xué)過程中起到引導(dǎo)、釋疑和推動作用。

2.2.1" 擠壓虛擬仿真實驗

正常模式下，擠壓實驗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)書給出的默認的型材長度，鑄錠計算長度約為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)可以給出實驗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" 滾彎實驗以及探究實驗

在完成擠壓基本實驗之后，可以開始滾彎實驗，需要注意的問題如下。

①按正確順序選擇滾彎機零件，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。

最后進行滾彎實驗，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探究實驗

虛擬仿真實驗最核心的內(nèi)容是學(xué)生可以進行探究性實驗，下面以型材滾彎實驗為例，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驗、滾彎實驗，方可進入探究實驗?zāi)Ｊ?，修改滾彎上輥下壓量，得到不同的回彈量。進行多次滾彎實驗后，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。

上面的實驗過程可以循環(huán)重復(fù)進行，即學(xué)生可以反復(fù)設(shè)置工藝參數(shù)進行實驗，檢驗實驗效果。此外，虛擬仿真實驗采用開放式的學(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、地點登錄虛擬仿真實驗平臺，進入探究模式進行虛擬實驗操作。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)實驗操作，直至完全掌握相關(guān)知識。探究性實驗給予學(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" 實驗成績評價

基于工程教育理念，本仿真實驗課程將實行全過程考核，以最終型材產(chǎn)品效果和實驗過程中學(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)品效果和實驗報告成績得分，該部分由教師根據(jù)型材產(chǎn)品和實驗報告質(zhì)量進行評分。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，重點看學(xué)生對型材擠壓滾彎工藝的理解，看其在實驗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" 虛擬仿真實驗實施情況

該虛擬仿真實驗教學(xué)項目自2018年在廣西大學(xué)虛擬仿真實驗平臺上線，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驗”中使用。目前，該課程被認定為第二批國家級一流本科課程，并在國家虛擬仿真實驗平臺上線，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驗克服了真實實驗教學(xué)過程中成本高、周期長、不可逆且實驗過程無法實時呈現(xiàn)的弊端，學(xué)生在實驗中能夠充分運用材料成型專業(yè)知識，通過實驗探究工藝參數(shù)對型材質(zhì)量的影響，可反復(fù)推演實驗，具有很強的交互性。沉浸式場景的設(shè)計增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，團隊研究成果的融入加深了實驗教學(xué)深度，最終提高了實驗教學(xué)水平，對培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新、獨立解決復(fù)雜工程問題的能力具有重大意義。

*通信作者：湯宏群

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

參考文獻

[1] 廣西人大.自治區(qū)人民政府關(guān)于《廣西壯族自治區(qū)人民代表大會常務(wù)委員會關(guān)于促進鋁產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的決定》實施情況的報告[EB/OL].（2023-12-22）.https：//dhzt.gxrd.gov.cn/html/art180290.html，2023-11-22.

[2] 趙熹，李雨軒，關(guān)世璽.擠壓成形與模具設(shè)計課程虛擬仿真實驗設(shè)計[J].科教導(dǎo)刊，2023（26）：54-56.

[3] 王鴻鼎，何凱波，劉洪，等.基于HyperXtrude的大型空心鋁型材擠壓模具優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2023，48（8）：194-201.

[4] 田思慶，侯艷，李金艷，等.基于MATLAB＿AppDesigner電力電子虛擬仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，42（1）：34-37.

[5] 姜帥，林遠鵬，趙茂然，等.含轉(zhuǎn)動副間隙實驗教學(xué)平臺動力學(xué)建模及實驗仿真[J].實驗室研究與探索，2023，42（11）：92-96.

[6] 張繼研，王宏偉，解永平，等.新工科背景下過程控制虛擬仿真實驗教學(xué)課程建設(shè)[J].實驗室科學(xué)，2023，26（5）：217-222.

[7] 吳金桃，丁鑫龍.基于ID3決策樹算法高校經(jīng)管類虛擬仿真實驗平臺[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，41（6）：48-51.

[8] 李紅，馬壯，石素君，等.金絲球焊引線鍵合虛擬仿真實驗的設(shè)計與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2023，40（S1）：1-5.

[9] 李衛(wèi)平，羅子璐，劉慧叢，等.以航空航天典型部件應(yīng)用需求為牽引電鍍工藝虛擬仿真實驗教學(xué)改革的設(shè)計與實踐[J].實驗室研究與探索，2023，42（5）：163-167.

[10] 朱麗華，陳心怡.一種基于虛擬仿真的雙極型晶體管制作與性能測試分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，42（1）：132-136.