面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验设计与教学实践

郑 超， 宋立彬， 董桂伟， 栾贻国， 赵国群

（山东大学a.材料科学与工程学院；b.材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，济南250061）

0 引 言

金属板料冲压成形是金属塑性加工的基本方法之一，它是利用冲压设备和模具对金属板料施加压力，使板料产生塑性变形或分离，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的零件，广泛应用在汽车电子、航空航天、能源动力、国防军工等国民经济重要领域的零部件生产。我国高等院校的机械类、材料类等专业一般均设有冲压成形或类似课程。由于冲压成形涉及到塑性成形原理、冲压工艺、冲压设备、冲压模具、金属板料性能等课程和知识点，信息量较大，各学校一般采取理论教学与实验教学相结合的方式，以使学生系统掌握设备、模具和板料等冲压成形三大基本要素。为着重培养学生的理论联系实际能力、工程实践能力、分析和解决问题的能力，实验教学在冲压成形教学中具有不可替代的作用，是实现课程教学大纲要求和专业培养目标必不可少的内容。从面向单一工艺类型、冲压模具、冲压设备或板料性能的认知性验证性实验，到涵盖冲压成形三大基本要素的综合性设计性实验，冲压成形实验项目的内容建设和质量提升一直是实验教学人员关注的热点。我校材料成形及控制工程专业结合专业培养目标和学科发展方向，着力推动金属板料冲压成形综合实验的内涵质量建设，开发和应用了一个面向生产全过程的冲压成形综合性实验项目。本文介绍了综合实验项目的建设背景、建设思路，以贯穿冲压件实际生产全过程为指导思想进行了实验内容设计，通过连续7届学生的教学总结了该实验项目在教学实践方面的成效和持续改进措施。

1 冲压成形综合实验的建设背景和思路

1.1 金属板料冲压成形综合实验建设背景

金属板料冲压成形涉及的专业课程及知识点较多。以我校为例，密切相关的课程包括材料成形原理、材料成形技术、塑性成形模具、模具数字化设计基础、模具现代制造技术、塑性成形CAE、汽车覆盖件成形技术、材料性能与测试等近10门课程。各门课程安排有数量不等的随堂实验项目，但如何在掌握各门专业课零散知识的基础上，进一步加以融会贯通、综合运用，不仅是专业教师亟需完成的一项教学任务，也是“以学生为中心”培养模式的重要需求［1］，更是构建与经济社会发展需求相适应的实践教育体系必然要求［2］。我国高等院校材料成形及控制工程专业较早开展了这方面的研究和探索。夏薇等［3］围绕工程应用型本科培养目标，以模具现实工程应用为背景，开发了创意塑料制品模具设计与制造综合创新实验，增强了学生的工程化意识。刘易凡等［4-5］在对模具专业综合实验教学面临问题深入分析的基础上，开发了“数控加工技术在模具制造中的应用”综合实验，实践表明该综合实验具有良好的工程时效性、综合性、创新性和挖掘与互补性，并进一步总结了模具专业综合实验课程教学的指导思想、实验内容与实施措施等。罗红梅等［6］以垫片、轴盖、输送链链板等典型冲压件的成形工艺及模具设计作为实验内容，将数值仿真软件分析、冲压工艺分析和模具设计有机结合开发了冲压工艺及模具设计综合实验，实现了冲压成形实验课程教学的创新。俞芙芳等［7］针对塑料成形工艺及模具设计课程特点，以培养学生工程创新能力为主线，将模具相关课程的基本理论学习与工程实践训练结合，开发了多个综合性实验项目，并注意将实际生产中可能遇到的问题引入到综合实验环节，注重对学生的实战训练。刘东等［8］提出了以科研为导向的材料成形及控制工程专业综合性实验课程的建设思路，在综合性实验过程中，以教师科研项目为依托，由教师拟定实验题目，以学生实验为主、教师指导为辅完成综合实验，从而提高了学生的工程实践能力和创新精神。综上可见，如何设计、开发与实施综合实验项目是专业教师进行综合实验改革与探索的着力点，也是提升综合实验内涵质量、提高实验教学效果的关键。但针对贯穿冲压件实际生产全过程的金属板料冲压成形综合实验方面的探索仍较少或尚不系统，亟需开展这方面的教学研究工作。

值得注意的是，近年来以信息科学和网络技术为代表的现代科技渗透到社会经济生活的各个领域，虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库等信息化技术蓬勃发展和日趋成熟，为金属板料冲压成形综合实验教学的提质增效带来新的机遇。我国高等院校材料成形及控制工程专业在模具虚拟拆装［9-12］、模具机构设计虚拟实验［13］、冲压成形及模具虚拟实验教学系统［14-15］等方面开展了富有成效的探索和应用，取得了很好的教学效果，显示了虚拟仿真实验教学模式特有的优势。由于金属板料冲压成形具有冲压成形过程快速而难以观察、冲压设备与模具结构复杂、操作过程不可逆且危险性较高，实验成本和能耗高等固有特点，严重制约了实验教学效果，导致学生能力和素质的培养不够。因此，在综合实验内容设计与实施过程中引入虚拟仿真实验教学，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，发展和实现实验教学的信息化，既是国家对我国高等教育事业发展提出的新要求，也是专业综合实验教学模式深入改革的必然途径。

1.2 面向生产全过程的冲压成形综合实验建设思路

通过分析国内高校在金属板料冲压成形综合实验方面的教学现状，以及结合我校材料成形及控制工程专业多年的实验教学实践，提出了面向实际生产全过程的金属板料冲压成形综合实验建设思路。

（1）以学生需求为中心，充分尊重学生在专业知识学习与应用方面的愿望需求。学生经过专业课程的学习及随堂实验项目的练习后，迫切希望有一个载体能够融会贯通已学习的专业理论知识，从而深入理解冲压成形的工艺方法，为即将启动的毕业实习和毕业设计打好基础。另一方面，通过让学生了解冲压产品全生产周期各环节，有助于形成全局性的专业视野，为大学毕业后走上工作岗位或继续深造打好基础。

（2）以问题为导向，着重提高学生理论联系实际能力、工程实践能力、分析和解决问题能力。金属板料冲压成形相关知识的消化吸收与合理运用，仅靠课堂理论教学是远远不够的，而单一实验项目仅能从个别知识点训练学生的实验技能。因此，综合实验的建设应针对金属板料冲压成形教学中存在的突出问题，结合教学大纲和培养目标进行实验内容设计，重点是提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力，提高学生开发新产品、新工艺的创新能力［16］。

（3）虚实结合，能实不虚，积极探索“真实实验＋虚拟仿真实验”相结合的教学模式。近年来虚拟仿真实验教学的蓬勃开展，顺应了网络化和信息化时代的发展潮流，充分发挥了信息技术在高等教育教学中的作用，因此在综合实验内容设计及实施过程中，应重视虚拟仿真实验教学资源的建设和使用，形成以真实实验和虚拟仿真实验有机结合为特征的完整的专业综合实验教学体系，从而有效克服真实实验环境中的诸多限制，提升综合实验的深度和广度，拓展实验教学的空间和时间，激发学生自主学习的积极性［17］。

（4）以贯穿冲压件实际生产全过程为指导思想，强化实验内容的内在联系。以典型冲压件为实验对象，综合实验应涵盖从产品设计、工艺设计、模具设计、模具加工到产品制造的整个生产过程，使学生受到一次全方位、高强度、系统化的专业技能训练。此外综合实验的内容设计与实施应突出“综合性”特点，不能简单地将多个零散的实验项目堆砌在一起，而是通过一条主线串联起各个实验环节，并注意强化各实验环节内容的联系［18］。

1.3 金属板料冲压成形综合实验建设基础

材料成形及控制工程专业是国家级高等学校特色专业、“卓越工程师教育培养试点”专业、教育部“专业综合改革试点”专业、山东大学国际化建设专业。2014年首次通过工程教育专业认证，2017年再次通过工程教育专业认证。拥有专、兼职实验教师61人，其中教授（级）27人，副教授（级）24人，讲师（级）10人。本专业实验室是山东省实验教学示范中心——材料科学与工程省级实验教学示范中心的重要组成部分，实验室面积达3 000多m2，现有仪器设备1 000多台套，价值4 200余万元。其中，拥有剪板机、机械压力机、液压机、线切割机床、小型数控铣床等冲压成形及模具制造设备。此外，部分专业教师在金属板料冲压成形工艺及模具技术方面的科研积累和研究成果，能够直接应用或作为拓展知识融入到综合实验教学过程。上述基础条件为开展面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验建设提供了有利支撑和条件保障。

2 面向生产全过程的冲压成形综合教案设计

2.1 实验内容设计

结合材料成形及控制工程专业培养目标和金属板料冲压成形发展方向，以学生需求为中心，以冲压成形实验教学中存在的问题为导向，以贯穿冲压件实际生产全过程为指导思想，确定了面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验内容体系，如图1所示。

图1 面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验内容体系

该综合实验包括9个实验环节，要求学生选择一个典型板料成形产品（一般为拉深件）作为实验对象，由学生自主完成从产品设计、工艺设计、模具设计、模具加工到产品制造的整个生产过程。在每一实验环节内容的设置上，既考虑了综合实验主线的内容需要，又兼顾相关专业课程知识的融会贯通目的。针对每一实验环节，均设置有实验考核内容，指导教师在预定的考核时间节点检查学生的实验完成情况，确保综合实验按时保质完成。此外，在综合实验内容设计时，强调虚拟仿真实验教学资源的建设和使用。优先选择真实实验问题突出、建设要求迫切、教学资源基础较好的实验项目予以建设。每建设好一批内容，及时将该部分内容应用于综合实验教学中，并通过教学实践和学生反馈，总结虚拟仿真实验教学过程中存在的问题及需进一步完善的功能，从而对综合实验教学内容进行动态、持续丰富和改进，不断提升综合实验教学水平。

2.2 实验实施安排

与一般的认知性验证性实验项目相比，金属板料冲压成形综合实验内容显著增多，且各个实验环节环环相扣。如何在规定的时间内让学生按时完成每个实验环节内容，确保整个综合实验顺利进行，是该综合实验实施需注意的关键问题。为此，在多年教学实践基础上，采取了多项切实可行的督促与保障措施：

（1）个人操作与团队协作结合，促进个人实践能力与团队合作能力的双提升。按照实验环节的内容安排及工作量大小，将各实验环节的实施方式进行划分。其中，产品三维设计、成形过程分析、工艺方案确定、产品冲压加工和产品质量检测等环节由每名学生独立完成；而原材料选择、冲压模具设计、零件数控加工和设备与模具调试则由实验小组全体组员协作完成。对于团队协作的实验内容，由组长统筹安排每名组员的工作任务，全体组员在规定时间内通过交流、讨论、分工、整合、改进等，最终完成实验环节内容。

（2）以点带面，预先培训组长掌握实验用软硬件，再由组长带领组员实际操作。金属板料冲压成形综合实验以学生为中心，由学生自主完成，教师主要是督促、引导、审核学生采用的技术路线和实验方法，解决实验中遇到的难题。然而，综合实验涉及的仪器设备及软件较多，学生普遍不太熟悉或难以达到独立操作的要求，这无疑会影响学生的综合实验进程。为此，在综合实验开始前，首先对实验小组组长进行集中培训，帮助组长掌握相关软硬件的操作规程和安全注意事项。实验进行时，再由组长带领组员开展实际操作。

（3）虚实结合，以虚促实，利用虚拟仿真实验教学软件扩展实验时间和空间。金属板料冲压成形综合实验以提高学生理论联系实际能力、工程实践能力、分析和解决问题能力为关键。受实验室条件和实验课程学时的限制，学生无法在每一实验环节均通过操作真实的冲压设备和模具，利用真实板料开展实验。此时，通过在个人电脑上安装虚拟仿真实验教学软件，学生能够随时、随地开展实验，显著延长了有效实验时间。采取虚实结合、以虚促实的教学方式，使一些做不了、做不好的实验内容得以开展，从而克服了真实实验教学中的诸多限制。

通过与山东山大华天软件有限公司合作，先后开发了模具虚拟装配和模具虚拟制造两个较为成熟的虚拟仿真实验教学软件。以模具虚拟装配实验教学软件为例，该软件包括单工序模、复合模、级进模和汽车覆盖件模具等多种冲压模具的虚拟装配实验项目。借助该软件，学生能够应用三维交互技术练习典型冲压模具的拆卸与安装过程，并与真实冲压模具相结合，从而更为深刻地熟悉模具结构和模具工作原理，形成了线上线下实验教学密切结合的教学方式，提高了实验教学效率。

（4）依据实验室实际条件，以现有冲压模具代替完成部分实验环节内容。冲压模具的加工周期一般较长，且成本高。如果对综合实验中学生设计的每套模具均进行加工制造，不仅实验时间难安排，也无法保证实际冲压生产的顺利开展。因此，从教学实际出发，在零件数控加工环节，要求学生利用数控编程软件生成主要工作零件的加工代码，随后只选择一个零件在小型数控铣床上进行加工操作；在产品冲压加工环节，学生使用实验室现有的盒形件冲压模具进行实际加工，依次通过下料、拉深和切边，最终获得冲压件。

2.3 实验考核方法

为全面评价学生综合实验的完成质量，结合各个实验环节的内容与要求，建立了一套多层次分类考核评价标准，如表1所示。指导教师据此给出学生各个实验环节的成绩。

在综合实验完成后，要求以小组为单位，完成一份课程实验报告。该实验报告采取图文并茂形式，需满足以下要求：

（1）格式要求。实验报告以科技论文形式撰写，格式符合相关标准。

（2）内容要求。完整反映综合实验全过程，步骤清晰，结论正确。

（3）实验总结。反映实验的收获、存在问题、建议。

该实验报告完成后，由小组成员根据对实验报告的贡献大小相互打分，取平均分作为实验报告环节的个人成绩。指导教师根据学生各个实验环节的过程表现、完成质量及实验报告情况，最终给出每名学生的综合实验成绩。对于零件设计有新意、模拟结果准确、工艺方案和模具设计合理、实际操作主动、报告书写规范的小组，可适当扩大优秀比例。

表1 面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验考核方法

3 综合实验教学成效与改进

3.1 教学成效

面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验自开发后，从2011年开始已连续7年在专业综合实验课程面向材料成形及控制工程专业大四学生开放。为充分获取学生对于综合实验的反馈信息，帮助指导教师不断完善实验内容，在实验报告中要求学生单独列出一节，说明自己参与综合实验的心得体会及对于综合实验进一步发展的建议。这种及时、主动、持续的学生反馈能让实验指导教师了解学生对于综合实验在内容设置、教学方法、考核标准等方面的看法和需求，将学生评价高的内容发扬光大，并不断改进不足之处，从而让综合实验处于持续改进、动态更新之中。从教学过程和课后学生反馈来看，综合实验取得了很好的教学效果。以下节选了3名学生对于综合实验的心得体会：

“通过专业综合实验课程，透彻了解并完整进行了以拉深工序为主的冲压产品生产加工流程。运用计算机互联网、UG和CAXA等CAD软件、Dynaform等CAE软件及实验室提供的各种钢板、仪器设备等，完成了产品市场调研、不锈钢保鲜盒概念设计、原材料性能测试、不锈钢保鲜盒冲压工艺设计、成形过程数值模拟、成形模具结构设计、冲压模具虚拟加工、虚拟装配、冲压产品制造全过程。加深了对材料成形原理、材料成形工艺、机械制图、塑性成形CAD、塑性成形CAE等课程理论知识的理解，并提高了理论联系实践能力，构建起完整的材料塑性成形加工理论体系，熟悉了工业实际生产过程中的各生产环节，为今后步入与材料成形相关的科学研究领域及工作岗位打下理论和实践基础。”（摘自2017级实验报告）

“通过专业综合实验这门课，对于冲压零件的模具设计过程更加熟悉，在自己动手实践的过程中更容易发现自身的不足，可以有针对性地解决存在的问题，在老师指导下取得进步。综合实验是一个把书本上的知识应用于实践的机会，只有真正应用所学知识，才能对知识有更新的理解。做综合实验的过程还提高了综合能力，锻炼了独立思考的能力，自己动手操作的能力。只有将理论付诸于实践才能使理论得以校验，同时一个人的价值也是通过实践过程来体现的。因此以后要多注意将所学的知识应用到实际生产中，做到学以致用。”（摘自2016级实验报告）

“通过本次综合实验的产品设计、工艺分析与工艺方案确定、模具设计、模具虚拟制造与装配、产品实际加工等几个环节，了解了冲压件从设计到最终产品的流程，而且熟练掌握了三维设计软件UG、二维设计软件AutoCAD以及CAE仿真分析软件Dynaform的使用。在实验期间，查阅了大量有关冲压生产的书籍和论文，冲压知识得到了质的飞跃。另外，在实验过程中虽然遇到了不少问题，但是通过独立思考以及与老师交流，使这些问题得到了解决，可以说这次综合实验提高了自己独立思考和解决问题的能力。通过与同学分工设计和相互探讨、相互学习、相互监督，学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。”（摘自2013级实验报告）

3.2 持续改进

在教学实践中，发现学生对于专业综合实验的需求是多种多样、不断提高的。因此，实验指导教师应充分考虑学生的需求，及时做出响应，不断探索存在问题的解决方法，以使综合实验的内容设置更有吸引力，教学方式方法更加丰富多样，过程监控与结果考核更为合理恰当。今后将在以下几个方面予以改进完善：

（1）目前材料成形及控制工程专业综合实验课程安排在大四上学期，此时正逢学生找工作、准备考研的关键时期，在实验期间经常遇到学生参加考研辅导班、校园招聘会等临时突发情况，导致个别学生甚至所在小组的实验节奏被打乱，不能按预定时间节点完成实验。如何在满足实验教学大纲要求、确保实验教学效果的前提下，探索更为灵活高效的专业综合实验教学方法，设计更具吸引力的综合实验各个环节内容，寻求个人实践与小组合作更加合理的分工配合，是考验实验指导教师教学智慧和教学水平的问题。

（2）2016年6月，我国加入《华盛顿协议》成为第18个正式成员，标志着我国工程教育迈上新的发展台阶。当前国内高校普遍重视工程教育专业认证工作，材料成形及控制工程专业已经先后两次通过了专业认证。因此，在金属板料冲压成形综合实验的内容设置、师资配备、条件配置、持续改进机制等方面如何适应工程教育专业认证的要求，如何开展以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价，是摆在实验指导教师面前亟待解决的问题。

（3）在目前的综合实验过程中，部分实验环节受实验室实际条件限制，不能真正实现学生所设计模具的加工及用于后续冲压，而是以实验室现有的冲压模具代替完成部分实验环节内容。这种处理方法虽然能够保证综合实验顺利进行，但给学生带来不能实战的缺憾，在实验报告中学生也多次针对该问题有一试身手的愿望。借助于当前蓬勃发展的增材制造技术，利用3D打印机完成模具零件的制造，从而让学生设计的模具变成现实，不失为一条行之有效的途径，这是实验指导教师需要高度重视和着力落实的一项工作。

4 结 语

在对国内高校在金属板料冲压成形综合实验教学现状的分析基础上，提出了面向实际生产全过程的金属板料冲压成形综合实验建设思路。以学生需求为中心，以冲压成形实验教学中存在的问题为导向，以贯穿冲压件实际生产全过程为指导思想，确定了面向生产全过程的金属板料冲压成形综合实验内容体系，建立了一套多层次分类考核评价标准。多年教学实践表明，该综合实验的建设提升了学生理论联系实际能力、工程实践能力、分析和解决问题能力，达到了优化实验教学资源、有效提高实验教学质量的目的。材料成形及控制工程专业实验室将在综合实验内容设置、教学方式方法、过程监控与结果考核等方面持续改进，将专业综合实验建设和发展成为高素质、创新型材料科学人才培养的重要平台。