模具CADCAM 課程改革與教學實踐

1、模具CAD/CAM教育教學實踐張玉新，張瑞珠，李 勇，馮在強（1.華北水利水電學院機械學院，河南鄭州，450045）摘要：模具CAD/CAM課程為專業(yè)的發(fā)展而進行了課程改革，結合專業(yè)的特點將教學大綱、教學內容和教學模式進行了相應調整。以杯子的注塑模設計與制造為案例進行了技能融合理論知識的教學實踐。初步實踐充分證明了課程改革對人才的培養(yǎng)和專業(yè)的發(fā)展具有積極意義。關鍵詞：模具CAD/CAM；課程改革；教學實踐；模具設計Course Reformation and Teaching Practice ofDie & Mould CAD/CAMZHANG Yu-xin, ZHANG Rui-z

2、hu,LI Yong, FENG Zai-qiang （Department of Mechanical Engineering，North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou，450045）Abstract: The course reformation of Die & Mould CAD/CAM was carried on for the specialized development, the program of instruction and course conte

3、nt and educational model was adjusted with the specialized characteristic. This paper took the design and manufacturing of injection die of cup as the case and carried on teaching practice of the skill and theoretical knowledge together. The preliminary practice proved fully that the course reformat

4、ion has the positive sense for talented person's raise and the specialized development.Keywords: Die & Mould CAD/CAM; Course reformation; Teaching practice; Die designs1課程改革的背景與體現(xiàn)學院于2001年設立了材料成形及控制工程專業(yè)（以下簡稱“材控專業(yè)”），結合國內院校材控專業(yè)的發(fā)展經驗，以單一的模具方向為建設重點。隨著專業(yè)日益的發(fā)展與經驗的沉淀，綜合模具行業(yè)的逐漸成熟、社會用工和模具專業(yè)的學生就業(yè)形式的嚴峻性

5、，材控專業(yè)增設了焊接方向，兩個方向的學生共同學習的材控專業(yè)的課程包括基礎課（如物理化學、材料科學基礎、金屬學熱處理、材料成型原理、工程材料及成型技術和材料力學性能等）和少數(shù)專業(yè)限選課（如塑性成型工藝及模具設計和釬焊等，但模具CAD/CAM除外），其它課程作為專業(yè)任選課供學生選學。實踐和時間證明，專業(yè)學生的總體就業(yè)情況明顯好轉，表現(xiàn)為學生就業(yè)快且就業(yè)率高（就業(yè)和考研綜合高達97%）。但模具方向的就業(yè)情況一直以來不容樂觀，致使超過1/2學生選擇了備考研究生，少數(shù)學生選擇了從事焊接工作，模具方向的課程教學實施與發(fā)展遇到了瓶頸。雖然專業(yè)方向的增設使得學生的就業(yè)壓力小了，但新的問題隨之顯現(xiàn)，一則我校材控

6、專業(yè)在國內基本無知名度，以及社會對從事模具相關工作經驗的要求過高等原因，導致社會用人單位的漠視；二則由于方向課程的系統(tǒng)性欠佳，我們培養(yǎng)的學生無論讀研深造還是就業(yè)從事模具或焊接或相關專業(yè)工作時出現(xiàn)專業(yè)不專等現(xiàn)象，教學改革迫在眉睫。本專業(yè)2010年上半年度進行了有針對的課程體系改革，使專業(yè)課程更加系統(tǒng)、完整和合理，而受改革影響較大的課程當屬模具CAD/CAM，即由原來的方向限選課變更為專業(yè)任選課。 緣于此，課程以課題“RE（逆向工程）技術在模具設計中的應用研究”為平臺，對課程改革在教學內容和模式以及人才的培養(yǎng)等方面進行了教學實踐。2課程改革的實施傳統(tǒng)的模具CAD/CAM教學模式以厚重的理論教學為基

7、礎，以培養(yǎng)具有深厚理論基礎的技術型人才及研究人才為目的1。但隨著近年來高校本科招生的擴招、越來越多的學校增設模具專業(yè)以及國家大力支持職業(yè)教育的發(fā)展實施，迫使畢業(yè)生即掌握技術又有技能，對傳統(tǒng)的模具CAD/CAM教育模式改革成為必然。為了使這一課程改革順利過渡和實施，并能與計算機及模具行業(yè)的快速發(fā)展、技能型人才的發(fā)展需求相適應。從2010-2011學年第一學期開始，針對模具CAD/CAM的教學改革進行了教學準備、教學內容、教學方式等方面一系列的實施措施。模具CAD/CAM課程性質的變更，要求教學大綱和內容需要進行徹底的調整。因為專業(yè)任選課意味著模具和焊接方向的學生都可憑自己的興趣進行選學，在有利于

8、學生增加知識面學習的同時，對教學內容和教學的實施都提出了更高要求。表1授課計劃的調整對照原授課內容調整后授課內容理論u 模具CAD/CA M系統(tǒng)組成u 數(shù)據(jù)的處理方法u 圖形變換u 幾何造型的形體表達模式與數(shù)據(jù)結構u 數(shù)控加工原理與程序編制u 沖模與擠壓模CAD/CAMl 模具CAD/CAM系統(tǒng)組成l 圖形變換技術l 模具CAD技術l 逆向技術的運用l 快速原型技術l 鑄造模/注塑CAEl 模具CAM的數(shù)控加工仿真實驗u 二維數(shù)表程序化u 二維圖形變換u 三維圖形變換u 熱擠壓模CAD系統(tǒng)開發(fā)l 產品的數(shù)據(jù)采集實驗l 產品的RE模型重構實驗l 鑄模/注塑模CAD實驗l 鑄模/注塑模CAE分析l

9、 模具CAM仿真實驗首先，體現(xiàn)在對學生掌握知識的要求方面。任選課對學生所掌握知識的要求較低，尤其安排在第七學期（一般安排在后半學期），學生多以備考研究生和找工作為主，請假和逃課現(xiàn)象嚴重。如果以理論為主，學生需要系統(tǒng)地按部就班并花費大量時間預習、聽課、消化和吸收，實踐證明效果很差。因此，課程不得不對學生掌握的理論知識降低要求，增強教學模塊之間銜接相對不很密切的實踐性教學內容和環(huán)節(jié)。其次，體現(xiàn)在教材的選取上，適合本科教學的模具CAD/CAM教材版本較多，或以理論為主，或以軟件的應用為主，而案例多以塑料件注塑模為主。只有模具方向學生學習過塑料模具知識，焊接方向學生無任何基礎，要求內容須兼?zhèn)浣饘倥c塑料

10、模具設計，以供學生選學。最后，任選課要求教學內容必須與專業(yè)方向課程的連接不能過于緊密銜接。由原來的以理論為主線、技能為輔更改為重點學習技能、理論要求了解為特色的應用實踐課程。依托教學大綱與教學內容，授課計劃的調整如表1所示。保持32個總學時（其中實驗10學時）不變， 并根據(jù)學校近年來增添的可共享的教學與科研實驗設備情況，開設今后模具行業(yè)較為常用的RE技術和快速原型技術課堂與實驗環(huán)節(jié)。實踐說明，這種輔以課堂演示與理論講解、實驗操作與輔導結合的任選課課程內容的調整與實施，不但加深了學生對模具設計與制造的理解，更提高了學生的專業(yè)知識綜合運用能力。3教學實踐與案例模具CAD/CAM是一門實踐性很強的課

11、程，在應用型人才的培養(yǎng)過程中具有重要的地位2、3。改革后的知識技能結構既要使學生掌握CAD/CAE/CAM軟件的操作技能，又要理解產品數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換標準，并了解如何進行圖形分析和用正確的數(shù)據(jù)結構來表達。這就要求教學過程中合理設計教學內容，技能操作輔以理論滲透，達到技能與技術的集合。實現(xiàn)這一教學目標，較為有利的條件有三。其一，本專業(yè)在第七學期開設了專業(yè)任選課Pro/E三維造型技術，課程應用的Pro/E（Pro/ENGINEER，簡寫為“Pro/E”）集CAD/CAE/CAM功能為一體，是模具行業(yè)較為成熟的軟件，為逆向技術、模具設計與模擬以及制造仿真教學的開展提供了教具。材控專業(yè)設置該課至今，

12、無論是三個還是四個專業(yè)班級，選課人數(shù)穩(wěn)定在80或110以上，選學學生接近滿員，學生具備了軟件的運用基礎；其二，我校已下發(fā)大型儀器設備的共享文件，鋼結構研究所的3D CaMega 便攜激光掃描儀和快速原型機為教學實驗以及科研項目的實施帶來了便利；其三，專業(yè)已有大型注塑機可為教學與科研的有機結合服務，更能以科研促進教學?；谝陨宪浻布l件，將教學模塊進行了設計安排，現(xiàn)以注塑產品塑料杯為設計原型對教學進行了案例法教學實踐探析，課堂和實驗教學過程如圖1所示，流程中模具設計環(huán)節(jié)的實現(xiàn)得益于RE技術在課杯子的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理曲面構建模型檢測實體模型杯子的注塑成型模具的NC仿真杯子的注塑CAE杯子的模具設計

13、杯子模型重構技術快速原型技術杯子的母模圖1 杯子的實例教學流程 圖2影像逆向處理程中的教學運用。RE技術是在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有杯子零件的實物模型，利用各種數(shù)字化技術及CAD技術重新構造原形CAD模型的過程。通過三維掃描儀可直接獲取零件的高精度三維數(shù)據(jù)，通過軟件構造曲面或實體使之成為所需的三維數(shù)據(jù)模型；還可以運用影像逆向，通過照相機或者其它攝影儀器對原實物進行拍照，然后需將照片在Pro/E中進行模型重構，如圖2所示，這為教學提供了更為豐富的教學方式。為了更好貫徹表1中更新的教學內容，對設計與制造杯子注塑模具時必須具備的基本能力進行剖析分解，將理論知

14、識點和技能通過開發(fā)典型注塑模具設計實例，具體操作可根據(jù)注塑模具設計流程把注塑模具設計的理論基礎知識和軟件應用知識結合講解。模具CAD/CAM課程教學演示與講解的知識點為：（1）RE技術相關知識在課程中的開展是按照工作流程對RE技術數(shù)字化測量系統(tǒng)和方法、點云數(shù)據(jù)預處理、三維模型重構、RE技術系統(tǒng)以及快速原型技術和快速模具制造技術等進行全面的講解，在影像逆向設計杯子參照模型時融入講解CAD/CAM軟件基礎知識。要求學生對技能會操作、知識點了解；（2）模具設計模塊作為重點知識點，技術與技能結合實現(xiàn)教學目標。即在杯子的模具零件設計融入講解型腔數(shù)目確定與布局、分型線與分型面的設計、動定模尺寸確定、澆口形

15、式與位置、流道設計、冷卻系統(tǒng)設計、模架結構設計等模具結構知識的理論與方法。要求學生對技能會操作、知識點掌握；（3）注塑CAE知識點的教學即杯子的注塑件工藝分析時融入實際應用的塑料材料成型特性、工藝參數(shù)的優(yōu)化、注塑CAE結果的分析等理論與方法。要求學生對技能會操作、知識點掌握；（4）模具CAM環(huán)節(jié)演示機床、加工方式和刀具的選擇、加工零點與退刀平面的確定、主軸轉速等制造參數(shù)的設置、NC序列數(shù)控加工仿真的操作。要求學生對技能會操作、知識點了解。4結語模具CAD/CAM課程由專業(yè)限選更改為任選課的教學改革促使教學大綱、教學內容和教學方式等從理論為主向技能+理論轉變。通過課堂操作與講解、實驗演示與指導使學生得到較實際的實踐鍛煉并學會理論在實踐中的運用。教學中取得了很好的教學效果，可供其它課程借鑒。為本科課堂教學、課程設計和畢業(yè)設計提供了更先進的模具設計方