浅谈《金属塑性成形工艺及模具设计》中理论教学的教学方法

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  【摘要】本文介绍了金属塑性成形工艺及模具设计这门课的特点,根据教学大纲大要求,把金属塑性成形工艺及模具设计的教学目标分成两类。基于知识目标介绍了理论教学的方法,达到了较好的教学效果。
  【关键词】塑性成形工艺 模具设计 教学大纲 知识目标
  【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2015)09-0189-02
  引言
  《金属塑性成型工艺及模具设计》是材料成型及控制工程本科专业模具方向的重要基础课,它是将将作为材料成形及控制工程锻压方向的专业方向课的《冲压工艺及模具设计》、《锻造工艺及模具设计》两门专业课合并在一起,组成一门作为模具专业的专业课。这门课涉及很多学科,基本概念、术语、工艺繁多,不同的工艺模具结构差异很大,设计原则也各不相同,工程实践性很强[1-4]。另外两门专业课合并为一门,总学时并没有增加,这些都增加了学生学习该课程的难度。传统的板书和挂图的教学方法已经不能满足时代的需要,降低了学生学习的兴趣,课堂学习效果比较差。
  经过两年的教学实践,我们把这门课的教学目标设定为知识目标和工程目标,知识目标为学生全面运用锻压工艺及模具设计所需的《塑性成形原理》、《金属材料及热处理》、《机械制图》等知识掌握冲压、锻造各种工艺的基本概念、基本理论,掌握冲压、锻造模具结构特点。工程目标为学生初步具有工艺分析的能力,具有查阅设计参数及国家标准的能力,初步具有解决冲压、锻造生产中常见的产品质量的能力以及具有初步的模具设计的能力。
  本文主要谈一下为了达到设定的知识目标而进行的理论教学方面的心得体会。
  一、用图形化的方式解释塑性成形工艺中的经验结论
  所用教材《金属塑性成形工艺及模具设计》(李春峰主编),原书60页影响弯曲弹复的因素中讲到材料的屈服极限越高,弹性模量E越小,则弯曲变形弹复越大,学生不易理解,记忆也不扎实,改用图形化的教学方式,就容易的多了。简化的图形化方式如文献[5]157页图3.3.2所示。a)图表示屈服强度相同而弹性模量不同的情况。b)表示弹性模量相同而屈服强度不同时的情况。由a图很容易可以看出,屈服强度相同而弹性模量不同时,显然,弹性模量越小,回弹量就越大。由b图可以看出,当弹性模量不同时,屈服强度越高的回弹就越大。两图结合起来就很容易得出书中的结论屈服强度越高,弹性模量越小那么弯曲回弹值就越大。
  把单调枯燥的经验结论通过图形化的方式,可以直观的得出结论,便于激发学生的兴趣,加强记忆的效果。
  二、与先前专业基础知识的结合
  联系已学知识,注重融会贯通,温故而知新。由于该课程其理论知识的渊源性和联系性,因此,在课堂教学中应适当复习和延伸已学内容,使学生们更加深刻理解该专业的精髓,系统而完整地掌握该专业的知识结构。
  拉深时可将毛坯分成法兰变形区、凹模圆角部分、筒壁部分、凸模圆角部分、桶底部分,各个部分的变形力学图如文献[6]58页图5-4所示。授课的时候学生对这几个部分的变形力学图很不理解,通过与专业基础课《塑性成形原理》的结合,就很容易掌握和记忆了。
  圆形毛坯在拉深时毛坯切向收缩、径向伸长,切向承受压应力,径向承受拉应力,所以σ1为径向拉应力,σ3为切向压应力。法兰边缘和凹模圆角入口处的应力虽然相同,但是应变类型却截然不同。由文献[6]图5-4可以看出法兰边缘和凹模圆角处厚度方向都受压应力的作用,法兰边缘处的压应力是由压边圈引起的,而凹模圆角处的压应力是由于板料在凹模圆角处的弯曲引起的。两者虽然应力符号相同但引起原因却并不相同。两处厚度方向虽然承受压应力,但都很小趋近于零。
  在筒壁部分,由于模具设计时要保证凸凹模的间隙值大于板料厚度,所以厚度方向的应力为零,管坯承受轴向受拉,切向受拉的双拉应力状态。由于在筒壁处拉深时桶身直径不变所以切向应力σ2=σ1/2,此处板料的变形属于平面应变状态。轴向的拉应变ε1主要由厚度方向上的应变ε3来补充,板料减薄严重。
  在凸模圆角处,应力状态与筒壁处相似,只是在厚度方向上由于板料弯曲而使厚度方向上的应力小于零,此处板料进一步减薄。桶底部分处于弹性变形状态应力应变都很小,塑性变形中此处变形可以忽略。综合这五个区的变形力学图,我们可以得出结论:凸模圆角处的材料先后经过凹模圆角部分、筒壁部分,凸模圆角处的减薄作用,因此此处厚度减薄最为严重,这就解释了为什么说“凸模圆角处是圆筒拉深时的危险断面”这个经验结论,也进一步理解了筒形件拉深过后从筒口到凸模圆角处材料厚度逐渐减薄的生产现象。
  上述分析并没有涉及到复杂的数学推导,只是借助专业基础课的基本原理来进行说明,但却解释了在拉深过程中的经验结论和生产现象。本科学生完全能听明白上述内容,通过先前学过知识的推导更好明白专业基础课在实际生产中的应用,又能加深学生对新修拉深的理解,达到融会贯通的目的,从而激发学生的创造力和创新能力。
  三、加强基本概念、定义的讲授和扩展
  正确理解金属塑性成形工艺概念是掌握冲压、锻造基础知识的前提,是学好塑性成形工艺、模具设计的基础,搞清概念是提高模具设计能力的关键。只有对概念理解得深透,才能在模具设计中做出正确的判断,掌握大量的理论计算、经验公式、典型模具结构。
  例如在讲授拉深系数的定义的时候,根据定义,我们把它适当扩展一下。拉深系数是拉深后筒形件的直径和拉深前毛坯直径之比。
  这样我们就很容易的把拉伸系数和切向变形程度联系起来,m越小,则切向变形程度就越大,就更容易的理解了拉伸系数的物理意义,即拉深系数反映了毛坯外边缘在拉深后切向压缩变形的大小。同样我们也容易看出,凡是有利于提高材料塑性的措施均能减小拉深系数。
  初步的实践证明, 这种加强对基本定义、概念的讲授、尽量采用图形化的方式讲授单调枯燥的经验结论的方法、注重联系已学知识的授课方法会提高学生对概念、原理等概括化知识的批判性分析能力,使学生们更加深刻理解该专业的精髓,系统而完整地掌握该专业的知识结构,培养了学生的独立思考、创新意识、分析问题、解决工程实际问题的能力以及知识的应用能力, 激发学生的学习兴趣与主动性, 从而提高了教学效果。
  参考文献:
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  [6]李春峰.金属塑性成形工艺及模具设计[M].北京:高等教育出版社,2008:68-70.
  基金项目:2013年度哈尔滨理工大学教育教学项目“基于提高综合技术应用能力的《金属塑性成形工艺及模具设计》课程教学改革的研究”(项目编号:B201300038)。
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