围绕工程案例的金属塑性成形综合实验平台设计
时间：2022-03-22 10:58:04 浏览次数：次
【摘要】针对工程案例中存在的实际问题，通过教师引导与学生自主学习相结合的方法，将原先分别设置的各课程单项实验进行整合，同时引入工程案例和计算机仿真训练，构建包含三维造型与模具拆装、物理模拟与数值模拟、工艺优化与实物实验相结合的综合实验平台，增强了专业知识学习的靶向性，有利于学生实践创新能力的培养。
【关键词】工程案例 综合实验 模拟仿真
【基金项目】2017年度江苏省、扬州大学研究生教改课题“融合OBE和OBI的专业学位研究生技术创新能力培养模式研究与实践”（XJGLX_006）。
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）48-0244-01
一、引言
材料成型与控制专业隶属于扬州大学材料科学与工程一级学科和材料加工工程二级学科，金属塑性成形是材料成型与控制专业的一个重要模块，目前开设的实验主要包括：模具拆装实验、应力-应变曲线测试实验，板料拉伸成形工艺、圆柱自由镦粗实验等，上述实验多为传统验证性实验。为了实现“宽口径、厚基础、强能力、高素质”人才培养目标的要求，有必要在实验内容和实验方法上对传统实验进行整合，同时引入工程案例和计算机仿真训练，激发学生思考、探索知识的热情，提高灵活应用所学知识解决工程实际问题的能力。
二、工程案例库建设
首先需要根据金属塑性成形的教学要求建立工程案例库。学生经分组后自主选择工程案例进行综合实验，并在老师的引导下查阅资料、分析和解决工程问题。因此，典型、丰富的工程案例库是平台搭建的关键组成部分，本专业模块的工程案例库由学校与企业合作共建。
三、基于工程案例的综合实验平台构建
（一）三维造型与模具拆装相结合
本实验模块的先修课程是模具结构与三维造型，以某厂家定制的汽车电动马达直齿圆柱齿轮为例，说明学生进行综合实验的完整过程。直齿圆柱齿轮锻造成形的主要技术难度包括：齿形角隅充填不良、成形载荷高和脱模困难等。为了克服上述问题，引导和安排学生进行资料阅读，提出以下模具设计方案：1）基于积极摩擦原理，提出浮动凹模和导向柱结构，目的是提高充型效果、降低成形载荷；2）基于约束分流原理在齿轮内孔采用轴分流设计，目的是增加自由表面积，降低成形载荷；3）针对脱模困难且设备不具下顶杆机构的问题，设计了铰链连杆结构实现脱模功能。
在教学模具库中选取合适的模具，引导学生完成模具拆装实验，加深学生对模具各部位结构功能、装配关系和动作过程的理解。随后根据上述模具设计思想，由学生应用三维造型软件，如Solidworks在计算机上实现模具各个零件的三维设计，并完成其装配和运动仿真。
（二）物理模拟与数值模拟相结合
有限元（FE）方法是求解金属塑性变形这类强非线性问题的强有力工具。随着计算机飞速发展和FE分析的广泛应用，有必要对本科生加强这方面的实验训练。相关的先修课程包括：金属塑性成形原理、有限元方法、金属塑性成形工艺、材料成形过程的数值模拟等。
针对工程实例，首先将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软件，如Abaqus的外接接口导入。随后定义材料属性、接触条件，并进行网格划分。本构关系，即应力应变关系是模拟所需的重要材料特性。如果本构数据并没有包含在FE软件自带的材料库中，则可以由Gleeble物理模拟试验测量获得，并通过二次开发接口输入。然后定义工况，应用求解器求解计算。最后，通过后处理模块显示和分析模拟结果。
（三）工艺优化与实物实验相结合
根据模拟结果进行模具受力分析和成形缺陷预测，对模具结构和工艺设计提出改进措施。应用优化设计方案在液压机或伺服压机上开展塑性成形实验。实验老师须首先进行设备和操作安全检查，随后指导学生进行模具安装调整作业。仍以直齿圆柱齿轮为例，成形模具由上下压板分别固定在压力机上下工作台上，坯料放在浮动凹模型腔中，试验机上压头带动凸模与坯料接触后，推动凹模和坯料同时向下运动，实现摩擦力辅助成形。齿轮成形后，上压板带动凸模上移，两侧铰链连接的杆伸长拉直，带动顶料齿轮上行实现脱模。比较不同工艺制备齿轮的模拟结果与实验结果，分析其对成形质量的影响。
四、结语
基于工程案例的综合实验平台以培养卓越的、面向企业的应用型技术人才为目标，覆盖了金属塑性成形原理、塑性成形工艺、模具结构与三维造型、材料成形过程数值模拟和有限元法等先修课程，一方面引入三维造型技术和数值模拟技术，加强仿真训练；另一方面积极与企业合作建立工程案例库，所构建的综合实验平台实现了工程案例从问题提出、分析思考、设计优化和实物实验这一整个工程问题的分析流程，将传统验证性实验的被动学习模式转变为自主学习思考的主动学习模式，有效弥补课堂理论教学的不足，培养学生应用所学知识分析问题和解决问题的能力。
作者简介：
金朝阳（1973.3-），女，回族，江苏扬州人，博士，扬州大学机械工程学院副教授，研究方向：金属塑性成形过程数值模拟研究。