基于产品开发的创新工艺与模具设计项目教学

摘 要 新产品开发与创新是企业的生命力，而高等院校人才培养要缩短与社会需要的差距，就要走出去、请进来，让学生更好地了解企业的新技术，培养学生创新能力。由此，教学中选用创新的稻谷壳制一次性绿色环保碗的生产为案例，实施项目式教学，生产线上操作实践，辅以课堂上分析、讨论、解剖，理解、掌握其成型工艺和模具设计的难点与创新点，有益尝试，收到良好效果。

关键词 产品开发；创新工艺与模具设计；项目教学

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）06-0094-04

Abstract New product development and innovation is the vitality of the enterprise， and higher education personnel training to shorten the gap with the social needs， to go out， please come in， let students better understand the new technology， training students innovation ability， the teaching of rice shell system selection of innovative technology， the implementation of project teaching， the production line operation practice， supplemented by the analysis， discussion， understanding， master the forming process and die design of the difficult and innovative points， is a useful attempt， received good results.

Key words product development； innovation process and die design； project teaching

1 前言

高等教育在我国越来越受到重视，近20年来，不论规模还是层次梯级建设，都得到很大的发展。但是在培养过程中，人才质量与社会需求矛盾也凸显，如：教学方法单一，学生学习积极性和主动性调动不够；重视书本知识的教育，忽视实践性教学；教学内容落后于企业的生产实际，教材内容滞后于生产发展，往往是一本新教材刚编出来，一些新知识、新工艺、新方法、新产品又蜂拥而至，新知识的吸纳和创新能力不够；等等。这些都影响着人才培养的质量，使得学生难以适应社会的需要，就业难度增大。

项目式教学是一种教学体系，其项目可大可小，或含若干子项目，可用项目教学法、引导文教学法、头脑风暴法、思维导图法等不同的教学方法，实施时可由一个或多个教师来完成。而项目教学法就是把一个相对独立的项目中若干个任务，在教师的指导下，将项目任务交给学习小组，学生进行信息的收集、方案的设计、项目实施及最终评价，通过自主学习，在规定的时间内独立完成。项目教学实践，师生在学中做、做中学，学做结合，激发学生学习的兴趣和主动参与的积极性，以能力为本位，以行动为导向，以学生为中心，培养学生自主获取信息、分析问题、制订方案和解决问题的能力。

2 案例产品生产背景及选择分析

《一次性绿色环保用品的制造方法》项目来源于已通过省级鉴定的应用型成果，是基于环境保护、治理“白色污染”而寻找的一种替代品，即用可完全降解的稻谷壳制作一次性绿色环保碗，替代发泡型快餐具。该产品的生产工艺与方法申请了国家发明专利，其加工设备也获得多项实用新型专利，产品实现国内外的销售。

稻谷壳制一次性绿色环保碗如图1所示，产品颜色为稻谷壳本色——金黄色，有质感，美观漂亮。

从产品图2可知其设计尺寸，其厚度大约为1 mm，碗径?128 ㎜，弧面为R70 ㎜，要求：弧面与碗口、底部园弧平缓过渡，外形圆滑，碗口平整无毛刺，无变形，使用安全。

从图纸分析上看，产品的结构简单，如用金属或塑料材料成型，生产工艺与模具设计并不复杂，但其材料为稻谷壳——即将稻谷壳等植物纤维经过细磨成300目左右粉，掺一定比例的粘结剂、辅助剂等材料。由于其材料特殊性，加上市场上也没有同类材料的产品，更没有生产的工艺和装备，因此，产品的成型工艺与模具开发具有创新性。因此，技术人员通过攻关，创新开发了《一次性绿色环保用品的制造方法》和与之配套的生产线，实现了绿色环保碗的生产与销售。通过技术延伸开发，同时生产了以稻谷壳等为原料的相关环保产品。

在高职模具专业教学中，材料成型工艺与模具设计以塑料和金属材料为例进行教学，而将《一次性绿色环保用品的制造方法》项目中稻谷壳制一次性绿色环保碗的生产作案例，引入课堂，以其生产工艺和模具设计为课题设置项目进行教学是一种有益尝试。学生通过到企业参观学习，进行生产性实习，分析、解剖和讨论其生产工艺和模具设计，完成项目设置任务，了解、掌握其新工艺、新知识、新技术，能够达到教学目标，深化教学改革。

3 项目教学设计及实施

教学目标与要求 学生在学中做、做中学，学做结合，激发学习的兴趣和主动参与的积极性；以能力为本位，以行动为导向，以学生为中心，充分运用课堂上所学的基础知识，解决生产中的实际问题，培养学生自主获取信息、分析问题、制订方案和解决问题的能力；吸纳案例中的新工艺、新知识、新技术，培养师生的创新与开发能力。

学前要求学生具备和掌握冷冲压和塑料成型工艺及其模具设计等基础知识；实习企业提供必要的场地和生产机台、工装准备，配备一定数量的工程技术人员作为实习指导教师跟踪指导。

教学组织与实施 一个自然班级分成若干小组，每组5～7人；每组都要完成学前准备、参观见习、生产实习、工艺分析、模具设计和评价报告等项目学习任务；项目学习指导由学校和企业教师共同承担，其中工厂指导教师不少于两名，每组至少有一名教师跟踪指导；教学课时为两周，约60课时（具体安排见表1）。

4 教学重点与难点

产品原料为农作物的废弃物如稻谷壳等植物纤维，开发再利用，无成熟的工艺技术和设备，开发创新成型工艺是产品上市生产的关键。通过技术人员艰辛努力、反复试验，创新开发了有别于传统的冷冲压及塑料成型工艺的一种新的冷冲压缩模塑成型工艺：落料、预拉伸、成型、切边、压缩整形、脱模等工序复合成型，并根据其工艺特点设计成型模具。通过实习，了解其成型工艺和模具技术具有先进性和创新性，这也是案例项目教学的重点和难点。

产品成型工艺确定 通过前情学习及分析，学生掌握了塑料成型工艺和冷冲压成型工艺。塑料成型工艺是指在一定温度和压力下将塑料原料放置在特定的设备中进行熔化、塑化，通过成型机注入模具型腔中，冷却成型取得产品的过程，有注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、吹塑成型、发泡成型等。根据成型方法不同分为注射模、压缩模、压注模、挤出模头、吹塑模和发泡模等。而冷冲压成型工艺是指在室温下，采用合适的模具，通过压力机将金属材料或非金属材料片，冲压分离或产生塑性变形而获得产品的过程。冲压工艺分分离和成形两大部分，其中分离工序主要有冲孔、落料，成形工序主要有弯曲、拉深、整形、修边等工序。根据工序不同，有冲孔模、落料模、弯曲模、拉深模、整形模等，这些工序可组合，从而形成单工序模、复合模和级进模。

该项目中的绿色环保碗是用细磨成粉的稻谷壳等植物纤维，掺以粘结剂、辅助剂，通过专用设备加工成质地均匀、结构紧密、表面光滑、有一定柔软度和韧性的片，压力机作用下加工而成，很自然可以考虑采用冲压成型工艺。材料中含有一定的水分（约10%），有利于产品模塑成型，但产品的干燥没有在模具中进行。一是不会出现模温高而变色，从而保持产品的金黄色；二是克服升温、降温而产生的能耗，从而降低成本。因此可采用冷冲压工艺。材料具有一定的收缩率和流动性，拉伸率很小，仅用冷冲压工艺并不能解决所有问题，还要结合塑料压缩模塑等工艺。通过无数次实验，在其成型工艺中保留了冲压成型工艺中预拉抻、落料、冲压、切边等基本工序，同时利用料片的收缩和流动的特点，采用塑料模塑成型中压缩、保压等工序，很好地解决了材料的拉伸率小、易开裂的缺点，实践证明，成型工艺可行。最后，成型工艺确定为落料、预拉伸、成型、切边、压缩整形、脱模等工序，用冷加工方式，称为冷冲压缩模塑成型。

模具设计 产品生产工艺拟定后，设计其生产模具将至关重要。技术人员通过反复研究、试验，设计一副生产用模具，如图3所示，实现产品一次成型。其工作原理如下。

1）预拉伸：片料由人工送至托料刀圈6上，凹模8上行，凸模芯5在重力作用下最先与料片接触送片进型腔。

2）落料：凹模上行，落料圈2与托料刀圈6耦合完成落料。

3）切边：凹模继续上升，碗坯料在凸模芯和托料刀圈的作用下均匀地进入型腔，当凸模4与凹模接触偶合，切刀圈3将与凹模偶合，完成切边。

4）成型：与此同时，凸、凹模在高压下对碗坯料进行挤压成型。

5）模塑：坯料在凸模、凹模、切刀圈形成的一个密闭型腔内，在强大的外力下进行保压，坯料有拉伸、压缩、流动。

成型过程难点解析 稻谷壳制料片在模具内成型成碗，要完成落料、预拉伸、成型、切边、压缩整形、脱模等工序，工艺复杂，其成型工艺结合了塑料成型工艺和冷冲压工艺；用一付模具完成，模具结构复杂并且要精准，这是产品创新、生产工艺创新和模具设计的创新，是学习的重点，也是教学的难点。为了更好地掌握产品生产工艺以及产品成型与模具的关系，帮助学习和理解，将材料在模具内成型的一个工作循环的工作压力、行程和工作时间关系如图4所示。

根据模具结构图和成型过程关系图以及生产实习，了解到碗坯在模具中转变过程如下：

1）t0—t1时段，模具进行合模，压力小，合模速度快；t0时，送片进型腔；

2）t1—t2时段，材料进行预拉伸，凸模芯先接触并带动料片均匀送进型腔；t1时，模具的落料圈与托料刀圈偶合落料；t2时，切刀圈与凹模偶合切边；

3）t2—t3时段，料片冷挤压，碗初步成型，这时模具的位移量小，行程s与时间t呈非线性函数；冲压力迅速上升，升至最大值后进入保压时间；t3时，碗坯成型保压；

4）t3—t4这段时间，碗坯成型最复杂，碗坯在高压下挤压，材料有流动、粘合、压缩，模塑整形和定型；t4时，开模，卸压；

5）t5时，成型结束时间，取出成型碗，t5成型结束完成一个工作循环。

5 教学总结与评价

项目教学中，教学总结与评价是检查学生学习效果和能力提升的重要环节，除了评价教学常规如考勤、态度、作业等内容以外，重点是学生在项目教学中收获和不足、各小组积极参与度，教师要与企业指导教师共同参与评价。通过学习，学生在总结与评价中收获了生产安全知识、团队合作精神，更收获了新产品、新技术，提升了创新能力。

工艺创新 新产品生产中使用稻谷壳等植物纤维，为适应新材料特性且有别于塑料成型和冷冲压成型，而创新开发一种新的冷冲压缩模塑成型工艺：落料、预拉伸、成型、切边、压缩整形、脱模等工序一次复合成型工艺。

模具创新 根据开发的新工艺，设计适应于生产的模具，其创新点主要有：1）凸模芯起预拉伸的作用，解决了材料拉伸性能不好的特点；2）托料刀圈可以便于料片更好地、均匀地进入型腔；3）落料圈与托料刀圈、切刀圈与凹模的配合，一次复合了落料、切边、整形等工序，减少工艺流程和模具数量，缩短成型时间；4）落料圈与托料刀圈、切刀圈与凹模的配合起定位导向的作用，减去定位、导向零件的设计和加工，简化了模具的结构；5）采用冷冲压、压缩和模塑一次成型，简化工艺流程，减少能耗，降低了成本。

6 结束语

通过对稻谷壳制一次性绿色环保碗生产案例实施项目式教学实践，学生下企业体验学习，分析、解剖和讨论一次性绿色环保用品的制造方法、其他产品的生产工艺和模具设计，加深师生专业基础知识的学习、巩固与提高，圆满完成项目教学任务。同时，学生在教学中了解企业文化，懂得团队合作，实践中吸纳新知识、新技术，提高产品开发与创新能力，以达到教育之目的，进一步缩小他们与社会需要之间的差距，提高就业的竞争力。

参考文献

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