虚拟仿真在压铸工艺及模具设计课程中的开发建设

［摘 要］为适应本科教学改革和人才培养需要，课程组以问题为导向，采用Unity软件搭建压铸虚拟仿真实验平台，开发以压铸车间场景、压铸过程操作、压铸模具装配及运动仿真、多浇注系统方案下的充型凝固和缺陷预测等为主要内容的虚拟仿真实验课程。通过仿真实验建设，使压铸工艺及模具设计理论课程中的高风险、高成本且不具备实验条件的课程实验得以开展，极大提升了线下理论课程的教学效果。

［关键词］虚拟仿真；金课；课程开发；压铸；模具

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0074-03

压力铸造（压铸）是一种可实现少、无切削的高效率金属近净成形工艺，近年来在IT、汽摩、航空航天等领域应用越来越广泛[1]。压铸工艺具有“高速、高压、高温”的特点，金属液在压铸成形的过程中受多种工艺因素的影响，往往导致不可预知和可视的压铸缺陷。另外，如果压铸模具各系统和机构设计不合理，也会引起各种压铸缺陷[2]。由于压铸模设计制造具有不可逆、周期长以及压铸实验高危、高成本、高消耗的特点，一般高校本科教学难以具备真实的压铸实验条件[3-4]。

为解决此类课程的综合训练问题，2017年7月，教育部办公厅下发《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，2019年10月教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》，两个文件都指出要坚持需求导向，紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求来开发虚拟仿真实验教学项目。重庆地处西南，坐拥黄金水道和“渝新欧”国际铁路，汽摩及IT等产业发达，压铸人才需求旺盛[5]。重庆交通大学（以下简称“我校”）结合材料成型及控制工程（材控）专业定位和人才培养目标，为提升专业教学水平，打造虚拟仿真“金课”，批准启动压铸工艺及模具设计（以下简称“压铸”）虚拟仿真实验课程建设。

一、压铸虚拟仿真“金课”建设的目标、任务及原则

压铸虚拟仿真“金课”建设目标，就是适应社会对人才培养的新要求、新特点、新规律，提高本科学生压铸工艺实践能力和模具设计创新精神，依托PC和网络，以材控专业急需的压铸工艺及模具设计课程实验教学信息化内容为指向，完整覆盖课程核心和重点内容，积极实践线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。本课题虚拟仿真实验项目要求学生熟悉压铸车间及压铸基本操作，掌握压铸技术关键环节，掌握影响压铸过程的工艺分析方法，全面培养学生综合分析、探究创新的能力。压铸课程核心内容及重要应用如图1所示。

为区别于传统的“旧课”及以往的“水课”，保障“金课”建设的水准，高教司提出了“金课”建设“两性一度”的指导思想[6]，其要点如图2所示。为达成课程建设目标，本压铸虚拟仿真课程建设对照“两性一度”的要求，在建设过程中紧扣以下三项原则。

第一，坚持以学生为中心的实验教学。压铸件成形质量和压铸模寿命由多种因素决定，学生短时间内难以完全理解各因素的相互作用，因此，压铸虚拟仿真课程的设计不以模具成型零件尺寸和压铸工艺参数设计合理为唯一标准，而是将多个因素和变量设为可变、可调，以此激发学生的操作兴趣，调动学生参与实验的积极性和主动性，促进学生思考，增强学生的创新创造能力。第二，准确适宜的实验教学内容。由于压铸工艺有高温、高压和高速的“三高”特点，模具设计、制造、压铸过程不能用试错方式验证，虚拟仿真主要涉及压铸车间环境和压铸操作、压铸模具拆装、开合模运动仿真及主要工艺参数的可视化验证，以解决压铸实验成本高、环境差、模具设计制作周期长和不可逆等问题。第三，要求学生主要采用自主式、合作式、探究式方法学习，教师则基于案例互动式、研讨式教学，多种教学方式方法并用。

在运行模式上，建立合理的专业实验教学师资力量，按照“谁开发、谁负责，谁使用、谁负责”的原则，确保稳定安全的开放运行模式。此外，虚拟仿真实验教学项目的研发综合多媒体、三维建模、人机交互等手段，采用情景化的仿真环境，着力提高实验教学的吸引力和效果。

二、压铸虚拟仿真“金课”的建设内容

（一）压铸虚拟仿真实验教学内容与教学规划

在以往压铸课程的教学过程中笔者发现，学生对压铸零件结构、压铸工艺、浇注系统、溢流与排气系统等模具单独的系统和结构功能虽有认知，但对影响压铸件质量、模具寿命等因素和因素间的相互关系不能完全理解，少部分学生在短时间内对压铸模由成型零件、模架、抽芯机构、推出机构等多机构组成的复杂空间结构及工作过程也难以理解。为此，压铸虚拟仿真实验的开发应紧贴压铸课程的内容需求，坚持以问题为导向，本着服务课程的目的进行建设开发，最终梳理确定实验教学项目知识点。压铸理论课程与本文虚拟仿真实验教学内容之间的关系如图3所示。

压铸虚拟仿真课程建设以内容准确、前后关联、时长合理、难度适宜为准则，着力还原真实实验的教学内容要求、实验原理、操作环境及互动感受。本虚拟仿真实验要求材控专业学生参加完整的生产实习过程，并依照认知规律，从“基础认知、实训提高和综合分析”三个层次逐步深入开展仿真实验教学。压铸虚拟仿真实验教学内容与教学方法如图4所示。

（二）压铸虚拟仿真实验教学内容

1.压铸车间、压铸装备及压铸基本知识

结合压铸车间真实场景，采用Unity实时3D平台开发，将压铸生产环节中的主要内容和设备植入压铸虚拟仿真实验平台，让学生对压铸的每个阶段、每个场景进行沉浸式交互体验和学习。压铸车间及主要压铸流程如图5所示。

2.压铸模具装配、拆分及开合模运动仿真实验

压铸模由定模和动模两大部分组成。动模、定模分别固定在压铸机的动模、定模安装板上，定模浇注系统与压室相通，动模则随动模安装板移动来实现与定模的合模和开模。压铸模合模状态下的基本结构如图6（a）所示：1.动模座板；2.推板；3.推杆固定板；4.推杆；5.导柱；6.动模套板；7.导套；8.动模镶块；9.定模镶块；10.定模套板；11.动模套板；12、20、21.螺钉；13.销钉；14.套板；15.浇口套；16.直浇道；17.分流锥；18.横浇道；19.内浇道。压铸模具虚拟仿真通过模具零件三维模型进行装配、拆分、开合模运动仿真，可以轻松清晰地呈现出模具的结构及工作原理[7]，压铸模三维爆破及运动仿真瞬态效果见图6（b）、（c）所示。

3.压铸模具浇注、溢流系统关键位置和尺寸仿真验证实验

本虚拟仿真实验项目根据模具设计理论，提供3个理论上可行的浇注和溢流系统方案，学生分别观察不同浇注系统方案下压铸的充型和凝固过程，如图7所示。

4.压铸模具充型与凝固过程仿真实验

在压铸过程中，金属液通过活塞压入模具直浇道，再依次进入横浇道、内浇道、型腔和溢流槽。学生通过仿真实验，可清晰观察金属液流动填充顺序和凝固进程，如图8所示。学生通过直观感知由于压铸参数的变化引起的充型和凝固现象的不同，从而为压铸工艺选择和模具浇注、排溢等系统的设计提供正确反馈，进而对工艺进行改进。

5.压铸缺陷仿真实验与验证

压铸参数选择及模具设计合理与否的主要判断依据就是压铸件质量的高低。压铸件关键位置如存在气孔、缩孔则严重影响铸件性能，甚至导致铸件直接报废，学生通过压铸过程模拟，发现气孔的位置及程度、微观孔隙度等缺陷类型及程度，理解压铸模具及参数不合理对于铸件质量的直接影响，从而思考改进方案。

为观察验证压铸虚拟仿真实验提供的3个浇注系统方案中最优方案的铸件质量，采用组织模拟和扫描电镜组织照片结合的方式对比呈现。实验者通过由Unity搭建的虚拟仿真平台进行交互操作，通过选取铸件不同位置，观察相应位置的模拟组织、扫描电镜组织及X-射线探伤检测的结果，从而理解压铸参数对铸件质量和组织的影响。

三、结束语

本文将压铸虚拟仿真实验应用于压铸课程的教学中，通过传动、传质、传热的“三传”压铸过程模拟仿真，可对模具浇注和溢流系统、充型和凝固过程、压铸缺陷进行辅助设计、分析和预测；通过压铸虚拟仿真实验平台，学生能全面理解压铸车间、压铸模具的零件组成、装配关系、工作原理，金属液从充型到凝固再到铸件缺陷形成的过程，从而发现模具设计的合理与不足之处，加强初学者对压铸模整体结构和压铸工艺参数作用的认识。压铸虚拟仿真实验课程的开发，不仅解决了课程的实验问题，而且使得学生可以通过在线学习的方式进行课前预习、课后复习，提前掌握原本线下课堂应该掌握的知识，彻底打破了传统讲授式的教学模式，使得线上线下混合教学模式得以试行、半翻转和翻转课堂得以应用，这在很大程度上改变了原有的教学模式。仿真实验不仅能激发学生的学习兴趣，增强了学生自主学习和探究问题的能力，而且极大提升了线下理论课程的教学吸引力和效果。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 龚海军，周涛，李欢，等.基于杰魔的铝合金零件逆向建模及压铸模具设计[J].铸造，2020（6）：596-601.

[2] 赵凯阳，徐慧，刘锡林，等.基于Magma5.3的下箱体缺陷分析及工艺优化[J].特种铸造及有色合金，2018（6）：615-618.

[3] 李义兵，孟征兵，肖超，等.冶金工程虚拟仿真教学实训平台建设[J].中国冶金教育，2018（6）：64-68.

[4] 厚国旺，陈清奎，高博，等.《塑料成型与模具设计》虚拟仿真教学系统开发[J].模具工业，2018（9）：74-77.

[5] 林林，张小岩，钱楚楚，等.中国压铸模具发展的现状与展望[J].特种铸造及有色合金，2019（1）：45-48.

[6] 郭世永，陈鲁伟.虚拟仿真学科“金课”建设与实践[J].教育现代化，2019（39）：127-142.

[7] 牛政.基于虚拟仿真软件在模具拆装教学中的应用分析[J].中国多媒体与网络教学学报（上旬刊），2018（3）：9-10.

［责任编辑：陈 明］