“虚实结合”的锻造工艺实验设计与实践.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.26 No.5 Oct.2023“虚实结合”的锻造工艺实验设计与实践董桂伟,赵国群,郑 超,王桂龙(山东大学 材料科学与工程学院,山东 济南 250061)摘 要:锻造工艺是金属材料成形的重要工艺方法。根据锻造工艺特点,结合本课程传统实验教学现状,设计了“虚实结合”的锻造工艺实验教学课程体系,开发了“开式冲孔”、“环形件模锻”等真实物理模拟实验和“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真实验课程,并通过虚实结合的教学模式,使学生对锻造工艺相关知识进行全方位的运用和实践,大幅提升其工程实践能力。关键词:虚实结合;锻造工艺;实验设计;实践中图分类号:G642.423 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.05.008Experimental design and practice of forging process based on“Virtual Reality Combination”DONG Guiwei,ZHAO Guoqun,ZHENG Chao,WANG Guilong(School of Materials Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China)Abstract:Forging technology is an important process for metal material forming.Based on the charac-teristics of forging process and combining the current situation of traditional experimental teaching,the experimental teaching system of forging technology based on“Virtual Reality Combination”is de-signed,the real physical simulation experiments of“Open Punching”and“Ring Die Forging”as well as comprehensive virtual simulation experiment of“Forging Defects Analysis and Technological Process”are developed.Through the teaching model of“Virtual Reality Combination”,students can make full use and practice of forging technology-related knowledge,and get a great improvement of en-gineering practice ability.Key words:virtual reality combination;forging technology;experimental design;practice 收稿日期:2020-09-16 修改日期:2022-07-17作者简介:董桂伟,工学博士,高级实验师,主要研究方向为先进注塑成型工艺及装备研究。E-mail:gwdong 通讯作者:赵国群,工学博士,教授,主要研究方向为先进塑性成形工艺与装备。E-mail:zhaogq 基金项目:山东省本科教学改革研究重点项目(项目编号:Z2022251);山东大学实验室建设与管理研究重大项目(项目编号:sy20221301);山东大学教育教学改革研究重点项目(项目编号:2023Z01)。实验教学作为高等教育特别是高等工程教育的重要组成部分,在培养学生的工程实践能力和创新能力方面具有不可替代的作用1。近年来,随着我国相关产业的高速发展,以毕业生实践与动手能力较弱、创新精神和创新能力不足为代表的高等工程教育质量问题逐渐凸显,实验教学作为学生工程与创新能力培养的重要载体,面临着严峻挑战2。为应对这种挑战,国内各高校纷纷就实验教学课程体系和教学模式进行了一系列的改革创新 3,特别是近年来在国家的重点建设下,利用虚拟现实和仿真技术,建设了一批虚拟仿真实验教学项目 4-5,为学生提供了具有良好沉浸感和获得感的虚拟仿真实验环境,激发了学生学习兴趣,促进了学生多学科、多专业知识点融会贯通的能力6。虚拟仿真实验解决了传统实验教学中“做不到、做不好、做不了、做不上”的内容,为工程人才实践和创新能力的培养提供了一个十分有效的手段,对中国乃至世界的实践教育具有积极的帮助 7-8。但需要指出的是,工程人才的实践能力培养是一个多维度的过程,其源头来自于实践本身,所以工程人董桂伟,等:“虚实结合”的锻造工艺实验设计与实践才的实践和创新能力从根本上需要从实践中进行锻炼和提升 9-10。从这个意义上讲,在工程人才的实践和创新能力培养过程中,真实物理实验和虚拟仿真实验互为补充、同等重要,构建“能实不虚、虚实结合”的实验教学课程体系和教学模式对工程人才的能力锻炼和提升具有重要意义 11-12。“锻造工艺”是金属材料成形的重要工艺方法,也是材料成型及控制工程专业本科生必须学习掌握的材料成型技术之一。根据锻造工艺特点,结合本课程传统实验教学现状,从充分锻炼和切实提升本专业学生工程实践能力和创新能力的目标出发,设计了“虚实结合”的锻造工艺实验教学体系,开发了“开式冲孔”、“环形件模锻”等真实物理模拟实验和“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真综合实验课程,并通过虚实结合的教学模式,使学生对锻造工艺相关知识进行全方位的运用和实践,大幅提升其工程实践能力。1 锻造工艺特点与传统实验教学现状“锻造工艺”是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻造是机械制造工业中提供机械零件毛坯的主要加工方法之一。通过锻造,不仅可以得到机械零件的形状,而且能改善金属内部组织,提高金属的机械性能和物理性能。根据锻造温度的不同,锻造可以分为热锻、温锻和冷锻;根据成形机理的不同,锻造可以分为自由锻、模锻、碾环和特殊锻造。“锻造工艺”是一门实践性很强的课程,除理论学习外,实验教学以及现场实习是学生获得知识和培养能力不可替代的重要手段。而由于锻造过程具有高温、高噪声、高能耗特点,且易发生机械伤、烫伤等安全事故,导致很多实验操作具有高危险性和不可逆性。因此,“锻造工艺”实验课程一般采用以铅代钢、以室温代高温的物理模拟实验,这类物理实验在一定程度上体现了锻造工艺的真实性,但不可否认,其与真实情况存在一定差距,仅凭这类实验难以对锻造的本质进行深入的探讨与分析。特别是对于锻件缺陷分析和锻造全工序实验,现有的物理模拟实验受材料、模具成本及实验时间的制约,难以全面展开,极大限制了学生对锻造工艺及其常见缺陷类型和形成原因、抑制方法等专业知识的系统学习和实践应用,是目前各高校锻造工艺实验教学中的共性问题13-14。2“虚实结合”的锻造工艺实验教学课程设计基于上述分析,充分考虑“锻造工艺实验”课程对材料成型及控制工程专业本科生毕业要求的支撑情况,及其对学生工程实践和创新能力培养的层次性要求,设计了以“开式冲孔”、“环形件模锻”等真实物理模拟实验为基础,以“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真综合实验为综合和提升的“虚实结合”的“锻造工艺实验”课程体系,如图 1 所示。图 1“虚实结合”的锻造工艺实验课程体系 2.1 开式冲孔真实物理模拟实验开式冲孔是自由锻的基本工序之一,是采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序。从金属材料塑性流动角度来看,开式冲孔具有局部加载、整体受力、整体变形的特点。如果工艺设计不当,开式冲孔将出现“走样”、裂纹和孔冲偏等锻件质量问题。为使学生深入观察开式冲孔时金属坯料的变形过程,分析锻件直径 D 与冲头直径 d 的比值(D/d)变化对锻件形状和尺寸的影响,以及进一步探讨开式冲孔锻件质量问题与解决措施,设计了以铅代钢、以室温代高温的开式冲孔真实物理模拟实验。实验采用实心冲子冲孔,选用三种不同直径的冲头,对相同尺寸的坯料分别进行冲孔,观察和测量坯料在不同冲孔深度时形状和尺寸变化情况,绘制三个试件冲孔后的形状草图和三种 D/d 值的 h 连皮/H0-h 锻/H0 曲线,并分析曲线的实际意义,进而从中选择满足锻件形状及尺寸要求的冲头直径。实验用冲子、坯料以及锻件尺寸情况如图 2 所示。2.2 环形件模锻真实物理模拟实验模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内,在锻压力的作用下迫使坯料发生塑性变形而获得锻件的一种锻造加工方法。模锻分为开式模锻和闭式模锻73图 2 开式冲孔实验冲子、坯料以及锻件尺寸两种,其中,开式模锻是指采用带有飞边槽和钳口的模具进行锻造的工序。开式模锻的变形阶段主要包括镦粗阶段、充满模膛阶段和打靠阶段。为使学生充分观察模锻过程金属的变形情况和流动特点,讨论毛坯尺寸对模锻过程和锻件的影响,以及认知飞边槽和冲孔连皮的作用及其对模锻成形的影响,设计了铅环形试件室温模锻真实物理模拟实验。实验选取三个不同尺寸的铅试件坯料,利用相同的锻模进行环形件模锻过程,每压下一次后,从试验机上取下试件,测量 h锻、h底以及 Dmax等数据,并观察锻件形状的变化。根据实验结果,指出较合适的毛坯尺寸,并分析当毛坯尺寸不合理时锻件出现的现象和产生原因,分别绘制三种毛坯尺寸的 h底/h0-h锻/h0曲线,分析曲线的变化特点。实验环形件模锻的成形过程与测量尺寸如图 3 所示。图 3 可视化模具三维结构2.3 锻造缺陷分析及工艺过程虚拟仿真实验锻造缺陷是指锻造过程中锻件上产生的外在的和内在的质量不符合要求的各种缺陷,其不仅影响后续工序的加工质量,而且严重地影响锻件性能,降低产品使用寿命。因此,培养学生掌握锻造工艺中常见的缺陷类型及其形成的原因和抑制方法,对于加强学生关于锻造过程的工艺和产品质量调控认知、获得高品质锻件能力训练等具有重要意义。然而,由于锻造缺陷种类众多,且受材料、模具成本及实验时间的制约,难以对每一种缺陷开展真实或物理模拟实验。同时,受实验室现有设备条件的限制,目前关于锻造过程的全工序实验也难以展开。为此,采用三维虚拟现实技术和数值模拟技术作为支撑,设计开发了“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真综合实验。本虚拟仿真实验针对上述真实物理模拟难以完成的教学功能,以培养训练学生熟悉掌握锻件主要缺陷类型、形成原因和抑制方法为目标,设计包括毛坯尺寸、加热温度、锻模结构参数等对锻件质量的影响实验和以齿轮坯为例的锻造工艺全过程实验。实验项目主要包含场景认知、缺陷认知、缺陷分析、齿轮毛坯锻造等内容,其中学生重点操作和训练部分为缺陷分析和齿轮毛坯锻造。“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真实验内容框架如图 4 所示。图 4“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真实验内容框架3“虚实结合”的锻造工艺实验教学实践基于上述设计的“虚实结合”的锻造工艺实验教学课程体系,采用虚实分段教学的模式,在材料成型及控制工程专业本科生中进行了教学改革和实践。在锻造工艺实验教学的第一阶段,开展“开式冲孔”和“环形件模锻”真实物理模拟实验,设计制造了相应的冲子和锻模,制备了不同规格的铅制坯料,利用专业实验室的数显万能试验机,对学生进行分组实验教学,培养学生尺寸测量、设备操作、结果83 董桂伟,等:“虚实结合”的锻造工艺实验设计与实践记录分析等动手实践能力,锻炼学生观察问题、分析问题和解决问题的能力,使学生建立关于“开式冲孔”和“环形件模锻”工艺过程金属流动和变形行为的充分认知并帮助其形成上述两个工艺过程的科学概念。在锻造工艺实验教学的第二阶段,开展“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真综合实验,利用开发的“锻造缺陷分析及工艺过程”虚拟仿真实验教学平台,为学生设置个人账号,学生进入虚拟仿真教学平台进行锻造缺陷、锻件质量检验、锻件清理、锻模设计与模锻工艺制定以及热模锻压力机结构等相关基础知识的全面学习,并在规定时间内完成锻造缺陷分析和齿轮坯锻造全工序虚拟仿真实验内容,并提交实验报告,充分锻炼和培养学生利用掌握的锻造工艺相关理论知识,分析、研究和解决锻造工艺中复杂问题的工程能力。锻造工艺实验虚实两个阶段教学的实验成果如图 5 所示。图 5 锻造工艺虚实分段教学实验成果4 结语“虚实结合”的“锻造工艺实验”课程设计与教学实践,充分结合了真实物理实验和虚拟仿真实验的教学功能特点,体现了“虚实结合、能实不虚”的实验教学理念,同时构建了线上与线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式,激发了学生的实验兴趣,使学生对锻造工艺相关知识进行全方位的运用和实践,显著提升了实验教学效果,学生的工程实践能力也得到极大提高。参考文献(References):1 高东锋.信息化时代高校实验教学改革的要求、思路与路径J.中国高教研究,2018(4):93-96.2 余寿文.对工程教育质量保证中几个问题的思考J.高等工程教育研究,2016(3):5-8.3 赵巍,刘梦莹,刘学斌,等.基于 OBE 理念的虚实结合实训教学体系实践J.实验技术与管理,2018,35(3):185-189.4 曹连民,孙士娇,李建楠,等.煤矿工作面采煤机虚拟仿真实验教学研究J.实验技术与管理,2019,36(2):198-203.5 余晓武,范淑媛,薛冰洋,等.消失模铸造虚拟仿真实验系统的实现与应用J.实验技术与管理,2019,36(4):130-133.6 常雅宁,彭钰珂,魏东芝,等.虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用J.实验室研究与探索,2019,38(2):237-244.7 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