压力铸造生产虚拟仿真综合实验项目建设与教学实践

陈元芳 屈亚龙 刘 春

（重庆理工大学材料科学与工程学院 重庆 400054）

压力铸造，简称压铸，是液态金属材料重要的成型方法之一，压铸生产实践是材料成型及控制工程专业学生重要的实践环节。

采用真实装备进行实验教学存在如下问题：（1）需要各种仪器和设备，许多仪器价值昂贵、体积大，前期投入大，但功能却单一且固定；（2）运行过程中电、液、气等资源消耗大，设备后期维护成本高，有些设备运行环境极端，操作危险性高；（3）现场压铸生产，无法观察到铸件的成型过程，无法观察到压铸机的内部结构和动作原理；（4）受资金、场地的限制，无法满足学生实际动手能力培养的需要，无法实现开放、自主设计，创新型实验更是难以开展；（5）真实的设备操作精密，很难开放共享；（6）生产企业给学生一线实践的空间小，专业实习多为走马观花，实习难以到达预期的效果。

因此，运用计算机技术和虚拟现实技术，开发具有良好交互性能的虚拟仿真实验教学系统，以其逼真的视觉效果、强烈的沉浸感、良好的交互性、平台的可扩展性逐步取代传统的实验教学具有广泛的现实需求。

1 实验目的

压铸生产虚拟仿真综合实验项目通过融入压铸生产企业的实际案例，采用虚拟现实技术的方法，构建全流程、高仿真、强交互性的压铸成型虚拟仿真实验项目，达到以下实验目的：学生在虚拟环境中，不受时间、空间的制约，随时、随地进入虚拟实验室进行虚拟实验项目操作，使学生进一步掌握压铸模具结构、各部件装配关系及拆装顺序；掌握压铸机的动作原理及结构组成，掌握压铸机选型方法等知识。通过在虚拟场景中身临其境和自主控制的人机交互，提高专业兴趣，启发创造性思维，培养独立进行方案设计和问题解决的能力。

2 实验涉及知识点

压力铸造生产虚拟仿真综合实验项目以前盖压铸件实际生产为例，按照压铸生产实际生产设备与生产流程，构建了压铸生产全实景三维虚拟仿真实验平台。将企业的制造理念、工作模式融入虚拟实验教学组织和教学流程之中，注重积极培养学生的工程创新意识和工程实验能力。该虚拟实验项目，主要包括虚拟合金熔炼、虚拟模具拆装、虚拟压铸模具安装、虚拟压铸成型、虚拟铸件切边、虚拟打磨、虚拟时效处理、虚拟抛丸处理、虚拟检测九个部分。实验涉及知识点如下：

2.1 合金熔炼

根据铸件材料要求进行配料，设置适当的熔炼工艺参数，合理添加除渣剂；运用旋转吹气进一步净化合金熔液，有效提升冶金质量。

2.2 模具结构拆装

通过虚拟压铸模具装配，学生模拟钳工把以备好的压铸模进行拆装，掌握零部件间的拆装顺序、配合关系，掌握模具整体结构、各零部件特点及技术要求。

2.3 模具安装

压铸模具必须与压铸机适配，相关安装尺寸、位置必须匹配。

2.4 压铸成型

压力铸造是压铸机将高温融熔金属液，在高速高压状态下以一定的工艺条件快速充填型腔，并在一定压力作用下快速冷却的铸造方法。压铸时金属液按填充型腔的过程，是将压力、速度、温度以及时间等工艺因素得到动态平衡的过程。压力铸造分为热室压铸机压力铸造和冷室压铸机压力铸造两类。

本实验项目以冷室卧式压铸机为例进行压铸成型实验。冷室卧式压铸的过程是：合模后，金属液浇入压室，压射冲头向前推动，金属液经浇注系统充填模具型腔，凝固冷却后成型压铸件，随后压铸机动模板移动使模具动模与定模分开，模具打开，铸件在推出机构作用下推出，取出铸件，完成一个压铸循环。

2.5 铸件清理

（1）切边。利用切边机、切边模去除铸件水口流道、溢流系统及飞边，去除大部分多余的材料；（2）打磨。用手工去除残留的批锋毛刺。

2.6 时效处理

时效处理是将铸件加热到某一温度并保持一段时间，使铸件基体达到稳定状。

2.7 喷丸处理

对铸件表面进行清理和表面强化处理。

2.8 铸件检测

JEW SPC测量系统是基于坐标测量的，将各被测几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值经过数学运算求出其尺寸和形位公差。

3 实验实施过程

学生通过广域网经由开放式虚拟仿真实验教学管理平台链接到本项目，在线上预先按照图中实验教学流程自由地进行理论学习和仿真操作，而教师则在线进行答疑。

（1）预习。基于问题的引导式、开放式教学，教师提前布置预习任务，了解实验目的、实验原理、铸件分析内容、模流分析方法等，以预习考核方式引导学生主动预习。仿真平台24小时向学生开放，在规定的时限内，学生登录仿真平台进入“预习”系统预习实验。

（2）学生学习仿真实验并进行考核。学生在理论学习、预习后，需在开放式虚拟仿真实验教学管理平台中进行考核，考核成绩合格后，方能取得学习仿真实验的资格，授课教师才向其开放仿真学习资源。

4 实验方法

（1）工艺介绍：学生通过网站中的背景介绍、教学资源介绍学习前盖压铸生产工艺介绍自主学习工艺流程、相关设备操作等。

（2）网络教学平台介绍：打开浏览器，在地址栏中输入实验项目展示网站网址，点击页面中的“登录入口”按钮。先选课，然后再开始实验，图1所示为开始实验页面。学生通过网站中的学生使用手册，自主学习网站使用方法，图2所示为平台使用手册下载页面。

图1：开始实验界面

图2：平台使用手册下载

（3）软件详细演示：学生根据网站中的教学演示视频，自主学习3D仿真软件进行全流程压铸生产相关操作，使学生掌握相关设备操作方法。

（4）上机模拟：学生进行3D操作模拟，模拟合金熔炼、模拟模具安装、模拟压铸成型、模拟铸件清理、模拟时效处理、模拟抛丸、模拟检测等生产过程。

（5）在线协同操作：网上可设置虚拟班组，如7人一班，每人一个工位，根据“虚拟生产任务”分合金熔炼、模具安装、模拟压铸成型、模拟铸件清理、模拟时效处理、模拟抛丸、模拟检测工位进行仿真联合操作，共同完成虚拟生产任务。

（6）在线考核：教师提出预习考核内容和操作考核内容，学生进行考试，成绩自动保存到教师机。

（7）实验报告：对前盖压铸生产原理、工艺流程、操作步骤等撰写仿真生产实验报告，并在线上传。

5 实验教学项目特色

5.1 压力铸造虚拟仿真综合实验项目特点

（1）“以虚补实，虚实结合”的虚拟实验项目，解决了压力铸造生产实验过程复杂、实验设备昂贵、现场实验危险大、实体教学实验难以开展的问题。

（3）以工程认证理念和新工科人才培养要求为导向，交叉融合压铸成型工艺及模具方面的知识点，构建虚拟实验场景，实现模拟压铸生产的“全流程工艺过程”，让学生感受到完全“真实”的工业化生产运行环境，使学生在虚拟实训中掌握压铸工艺理论、设备及操作等知识，有效锻炼和培养了学生分析和解决复杂工程问题的能力。

5.2 教学方法

“以学为中心”，以问题为导向，案例贯穿全流程的推进自主式和探究式学习模式，通过线上线下相结合的个性化、智能化实验教学新方法，培养学生的学习兴趣和探索精神。同时，依托在线平台，实现虚拟“认识实习”、“生产实习”和真实的“实训操作”，拓展了学生的学习模式和学习空间，是集“教学、实验、考核”于一体的全新教学模式。

5.3 多元化评价体系

评价体系为以“学生为中心”的多元化评价体系，以实验预习、实验操作、实验结果、实验报告“四位一体”全面考核和评价学生的学习成效，同时建立学生电子档案，采取学生自评、小组评价、教师评价相结合的方式，提高学生学习效果。

5.4 传统教学的延伸与拓展

运用3D仿真、VR在线交互等现代教学技术，实现三维交互虚拟仿真实验系统的转换和优化，通过开放式虚拟仿真实验教学管理平台，加强资源的有序整合和有效对接，实现资源的交叉访问、在线学习、操作、测试等，实现对传统理论教学和实验教学的延伸和拓展。

6 教学效果

本实验项目可达到以下教学效果：

（1）利用虚拟仿真技术，将合金熔炼、模具拆装、压铸模具安装、压铸成型、铸件切边、打磨、时效处理、抛丸处理、检测在虚拟仿真环境中逼真体现，可以大大提高教学过程的直观性。

（2）通过压力铸造生产虚拟仿真综合实验项目的训练，显著提高学生的自学能力、查阅文献资料能力、实验技能和动手能力、分析和解决实际工程问题的能力。

（3）压力铸造生产虚拟仿真综合实验项目重视认知、技能、分析等多种教学目标的协同达成，同时注重阶段性目标和方向性目标的有机结合，有利于整体教学目标的实现。

（4）压力铸造生产虚拟仿真综合实验项目注意教材各知识点的内在联系，合理统筹规划教与学的内容，教学内容的呈现符合学生的心理结构特色。

7 结语

针对压力铸造生产虚拟仿真实验教学资源相对匮乏的现状，笔者及所在教学团队开发了压力铸造生产虚拟仿真综合实验项目。基于真实车间场景实地测绘、建模，综合运用虚拟仪器、有限元仿真软件、三维场景与VR、人机在线交互等技术，逼真再现了合金熔炼、压铸模具安装、压铸成型、铸件清理、铸件时效处理、喷丸处理、铸件检测等全工艺流程。该虚拟实验教学项目，以虚补实，支持学生在线访问，自主操作设备完成各工艺实验。学生通过在线虚拟仿真实验，加深对压铸成型原理、压铸模具结构、压铸工艺参数等知识的理解，解决了压力铸造实体实验受场地限制、操作危险高、高成本、高能耗难以开展的问题。