新质生产力导向下极端制造技术融入工程训练的探索与实践

摘  要：基于当前新质生产力以创新为驱动，面向科技前沿、面向重大需求的人才培养导向，该文以先进的极端制造典型技术——金属高温气胀成形为突破口，探索借助虚拟仿真平台，创新虚实结合实训教学模式，将先进性和风险性并存的金属高温气胀成形技术融入工程训练教学当中，打造服务新质生产力人才培养的一流课程。实践表明，高质量虚拟仿真实验可以将极端制造的知识体系全流程、多角度、高水平地具象展现。且能够让学生在安全、自由、低成本状态下，完成高温、高压条件下的虚拟实践操作和工艺探索，能够有效强化塑性成形专业实践认知和实践能力，激发学生自主学习和创新精神。实验兼具先进性、实用性，在实施过程中取得丰富的教学成果，具有较强推广价值。

关键词：极端制造技术；新质生产力；金属高温气胀成形；虚拟仿真；探索与实践

中图分类号：G424.4      文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2024）29-0019-04

Abstract： Based on the current innovation-driven new quality productivity， aimed at the frontier of science and technology and the major needs of talent training， this paper takes the advanced extreme manufacturing technology-metal high-temperature gas bulging as a breakthrough point. The study explores the use of a virtual simulation platform to innovate a combined practical training teaching mode that integrates virtual and real elements， incorporating the advanced and risky metal high-temperature gas bulging technology into engineering training. The goal is to create first-class courses that serve the training of talents for new quality productivity. Practice shows that high-quality virtual simulation experiments can vividly demonstrate the entire process， multiple angles， and high-level aspects of the extreme manufacturing knowledge system. They allow students to complete virtual practical operations and process explorations under high-temperature and high-pressure conditions in a safe， free， and low-cost environment， effectively enhancing their professional practice cognition and abilities in plastic forming， and stimulating their autonomous learning and innovative spirit. The experiment combines both advanced and practical elements， achieving rich teaching results during implementation and having strong promotion value.

Keywords： extreme manufacturing technology; new quality productivity; hot gas bulging of metal; virtual simulation; exploration and practice

基金项目：教育部机械基础/工程训练教指委“‘项目牵引、学做交叉、虚实结合’的工业机器人项目式工程训练教学方法研究”（2022JJGX-WKJY-19）；教育部产学合作协同育人项目“变温流体高压成形技术工程训练仿真基地建设”（220506707202936）；教育部产学合作协同育人项目“液压/气动技术与工业机器人融合工训教学模块的研究与实践”（202101205003）；大连理工大学教学改革项目“产研融入、虚实互补、平台提升——全新塑性成形工训模块建设”（YB2023035）

第一作者简介：杜巍（1983-），男，汉族，辽宁朝阳人，博士，工程师，工程训练中心副主任。研究方向为工程实践教学与改革。

习近平总书记提出：“要根据科技发展新趋势，优化高等学校学科设置、人才培养模式，为发展新质生产力、推动高质量发展培养急需人才”[1]。当前，将国际先进技术融入培养与新质生产力特征相适应的创新型人才，无疑是高校的重要使命担当。极端制造（Extreme manufacturing）是指在超高温、超高压、超低温等极端条件下，制造具有极端尺度或极高功能零件的技术，是新思路、新工艺、新装备、新效应集中涌现的前沿创新领域[2-5]。

金属高温气胀成形，简称“热气胀”，即为一种典型的极端制造方法。“热气胀”是在超高温条件下，向中空坯料内部冲入高压气体进行柔性胀形，最终贴模成形具有复杂精细结构零件的成形工艺，如图1所示[6-8]。该工艺已应用于航空航天、高铁、汽车等领域的复杂薄壁构件的批量生产，是国家急需的战略性新兴技术，教学和应用价值显著[9-11]。

一  “热气胀”实体教学的困境和仿真实验建设的必要性

“热气胀”技术对实现新一代运载装备关键零件的大承载、高可靠和轻量化具有重要战略意义，急需融入高校现有工程训练和塑性成形类专业课程当中。但其高温、高压、高速等工艺特点和特殊设备需求，导致其实践教学难以开展，制约要素总结如下。

（一）  工艺环境风险大

“热气胀”成形工艺需要在极端的高温和高压环境下快速进行。成形温度通常超过1 000 ℃，最大压力可达到35 MPa，增压速度高达100 bar/s。这种极端条件下进行的实验过程具有高度的风险性。因此，在此类环境下进行实验，不仅对学生操作能力要求高，而且对实验场地的安全措施也提出了苛刻的要求。对于高校实践教学而言危险性过大。

（二）  设备价格高、体积大

“热气胀”成形设备包括大吨位压力机、加热单元、高压单元、水平缸以及高度集成的控制系统等。这些设备不仅技术要求高，制造成本也极为昂贵。此外，由于设备的复杂性和高集成度，设备的占地面积较大，对于多数高校而言，难以提供足够的空间来安置和操作这些设备。

（三）  密闭空间成形过程难观测

“热气胀”成形是在完全封闭的模具内进行，成形时，学生无法直接观测到金属在高温高压环境下的变形行为。这种密闭空间的操作，使得学生难以直观地理解和掌握金属材料在复杂加载条件下的塑性变形过程。无法直接观测实验过程，也限制了学生在实验过程中发现和解决问题的可能，不利于其对成形工艺的全面理解和掌握。

（四）  工艺动作多、实验操作困难

“热气胀”成形过程中需同时控制多个系统的协同动作，包括压力机的合模、水平缸的密封、坯料的加热、模具的冷却和增压胀形等。每个工艺动作都需要精确的参数控制和同步操作，任何失误都可能导致实验失败甚至设备损坏。多系统、多参量的协同控制难度大，操作比较复杂，实体实验对于学生的容错率太低，线下教学难度大，如图2所示。

因此，针对“热气胀”等极端制造技术内容、工艺和设备，建立对应虚拟仿真实验，不但可以实现高风险、高成本工艺过程的仿真实践学习，还能够让学生通过多维度、多角度观察理解实验过程，提升专业认知水平，进而自主完成个性化的流程设计、设备选型、参数优化、结果分析和工艺探索等实训操作。从而，培养学生的专业实践能力和创新意识。

综上，面向机械大类工科学生，建设“热气胀”虚拟仿真实验教学体系意义重大，势在必行。

二  “热气胀”虚拟仿真实验的特色创新

（一）  国际领先、理实兼备的实践教学新内容

实验建设团队聚焦国家“卡脖子”问题，攻克了金属“热气胀”相关技术难题，形成了涵盖成形理论、工艺、装备和应用的完整技术体系，与宝山钢铁股份有限公司（简称“宝钢股份”）、捷安特股份有限公司、中国第一汽车集团有限公司（简称“中国一汽”）等著名企业合作实现了丰富产业应用，理论和应用水平国际领先，曾获得中国专利金奖、国家技术发明二等奖。实验选取了行业最具代表性的科研和应用场景融入教学，包括遵循国家标准的管材自由胀形实验，以及体现产业最新应用的汽车扭力梁超高温快速气胀成形实验。实验中涉及的理论知识均来源于最新的“热气胀”科研成果，而成形工艺仿真中使用的设备模型、操作方法、工艺参数计算公式等教学内容均与真实工业生产完全对应，具有显著的技术实用性和先进性。

（二）  涵盖工艺参数、过程数据、成形结果的丰富真实数据库

依托长期的工艺研究和产业应用的积累，团队在实验数据、实验结果、工艺参数和设备仿真模型等方面拥有十分丰富的教学素材。本实验充分整理和挖掘了这些数据，形成了包含工艺参数、过程数据、仿真模型和成形结果等多维度真实数据库，如图3所示。这保证了实验参数的合理性，变形过程的真实性和成形结果的多样性，为学生进行工艺探索、多路径完成“热气胀”成形提供了有力支撑，极大地提升了实验的真实性和体验感。

（三）  知识讲授、实验操作和工业仿真高度穿插的教学新方法

实验发挥虚拟仿真技术优势，将理论教学、实验教学和工业仿真融为一体。学生可将在仿真平台学习到的理论知识迅速应用于后续的仿真工艺设计和实验操作，而基础性能测试结果又能够直接指导后续工业仿真的设置和实操，形成“即学即用、环环相扣、层次递进”的实践教学方式，可以使学生全面高效地了解复杂应力状态下材料胀形性能测试方法，掌握极端塑性成形先进技术。同时，团队深入挖掘线上知识点考核内容，建立了与教学方式相适应的全过程考察和评价体系，鼓励学生主动学习、独立思考、大胆实践。

（四）  产学合作、校级共享、协同建设的线上实验平台建设新模式

该实验在建设过程中得到行业内知名企业的技术支持和数据分享，而线上实验平台建成后也成为相关企业培养“热气胀”技术人员的培训平台。此外，由于“热气胀”成形技术的实用性和先进性，多所研究型高校也开始引入该仿真实验作为专业课程的重要实践补充。目前，该实验已推广至13所“双一流”高校和知名企业共享使用。各共享高校、企业也积极地反馈实践教学效果和提升建议，反向促进了仿真实验平台的提升和迭代，形成了产学合作、校级共建共享、持续优化的平台建设新模式。

本工程训练仿真实验聚焦国家新质生产力对创新人才培养的迫切需求，以团队国际领先的极端塑性成形优势科研成果为支撑，以新兴信息化技术为手段，针对“成形类教学内容落后于科技和产业发展、线下实践教学困难、教学模式难以满足创新型人才培养需求”等问题，建设并实际验证了极端环境塑性成形实践教学特色体系。