高職模具CAD/CAE課程的改革與實(shí)踐

桂林理工大學(xué)南寧分校機(jī)械與控制工程系 黃榮學(xué)

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)白熱化，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，模具工業(yè)正向著信息化、智能化和精密化的方向發(fā)展，CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用，極大的提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的周期。

中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)制定的模具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中指出：在行業(yè)中全面推廣模具全三維CAD和CAD/CAE/CAM設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)?？梢?jiàn)，模具CAE技術(shù)已經(jīng)成為模具設(shè)計(jì)與制造的重要發(fā)展方向。然而，目前大多高職院校培養(yǎng)的模具專業(yè)畢業(yè)生達(dá)不到企業(yè)要求的知識(shí)結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閷I(yè)課程的設(shè)置偏重于CAD/CAM，而對(duì)CAE的重視不夠，對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)僅停留在傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法上，知識(shí)體系不夠完善，專業(yè)課程體系的設(shè)置嚴(yán)重滯后于模具CAD/CAE/CAM技術(shù)的發(fā)展[1]。由于市場(chǎng)缺乏熟練應(yīng)用模具CAE技術(shù)的專業(yè)人才，制約了我國(guó)CAD/CAE/CAM技術(shù)在行業(yè)中的推廣應(yīng)用。因此，作為培養(yǎng)模具設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用型人才的高職院校應(yīng)把握行業(yè)發(fā)展方向，及時(shí)調(diào)整人才培養(yǎng)方案和進(jìn)行課程改革，把模具CAE納入課程內(nèi)容體系。

1.模具CAD/CAE技術(shù)及其應(yīng)用

1.1 模具CAD/CAE技術(shù)

模具CAD技術(shù)包括計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行產(chǎn)品的幾何造型、模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)、模具的分型面、型腔和型芯設(shè)計(jì)以及基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理的參數(shù)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面；模具CAE技術(shù)（Computer Aided Engineering）是計(jì)算機(jī)輔助模具工程分析，包括產(chǎn)品成型質(zhì)量分析、模流分析、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、模具應(yīng)力應(yīng)變分析等方面。CAE技術(shù)貫穿于產(chǎn)品研制過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)之中，用于指導(dǎo)和預(yù)測(cè)產(chǎn)品在概念、設(shè)計(jì)和成型階段的行為。CAD/CAE技術(shù)提供了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案。

1.2 CAD/CAE技術(shù)在模具優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著產(chǎn)品對(duì)模具的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。通過(guò)模具CAD/CAE技術(shù)，采用科學(xué)、合理的方法，以計(jì)算機(jī)軟件的形式，為模具工作者提供一種行之有效的輔助工具，使他們能借助于計(jì)算機(jī)對(duì)成型制品、成型工藝、模具結(jié)構(gòu)、模具壽命等進(jìn)行反復(fù)的修改和優(yōu)化，直至獲得最佳結(jié)果。CAE技術(shù)已成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品加工中這些薄弱環(huán)節(jié)的最有效的途經(jīng)，模具CAD/CAE技術(shù)能顯著地縮短模具設(shè)計(jì)與制造周期、降低模具成本、提高模具壽命，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前，CAD/CAE技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車覆蓋件模、板料沖壓模、注塑模、擠壓模、壓鑄模等模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并取得了矚目的成效。在汽車覆蓋件、板料沖壓等冷成形模具的設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用CAE進(jìn)行板料的成形性指標(biāo)、應(yīng)力應(yīng)變、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具壽命和成形工藝等的分析，在行業(yè)中廣泛應(yīng)用的專用CAE軟件有Dynaform、Deform、Pamstamp等。注塑模CAE主要用于充型模流分析、澆注系統(tǒng)分析、冷卻系統(tǒng)分析及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析等，專用的分析軟件是Moldflow。擠壓、壓鑄模CAE主要用于材料流場(chǎng)數(shù)值分析、溫度場(chǎng)分析、模具/壓鑄件應(yīng)力場(chǎng)分析等，專用的分析軟件有ProCast、Flow-3D等[2]。

2.模具CAD/CAE課程改革

2.1 模具CAD/CAE課程改革的必要性

盡管CAD/CAE/CAM技術(shù)目前在我國(guó)模具行業(yè)的應(yīng)用取得了一定的成效，但由于CAE應(yīng)用型人才的缺乏制約了CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)的全面推廣。必須認(rèn)識(shí)到，以市場(chǎng)為導(dǎo)向、科學(xué)的專業(yè)設(shè)置與建設(shè)是體現(xiàn)高職教育特色及競(jìng)爭(zhēng)力的兩個(gè)方面，以職業(yè)能力培養(yǎng)作為重點(diǎn)，充分體現(xiàn)職業(yè)性和實(shí)踐性。但從目前來(lái)看，高職院校大多都把主要精力放在模具CAD/CAM的教學(xué)上，卻很少涉及CAE課程。因此，對(duì)相關(guān)課程的改革勢(shì)在必行，以適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)模具人才的要求。

模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)作為我校高職重點(diǎn)建設(shè)的專業(yè)之一，結(jié)合模具技術(shù)的發(fā)展情況和學(xué)校對(duì)人才的培養(yǎng)定位，及時(shí)調(diào)整了模具專業(yè)人才培養(yǎng)方案，在專業(yè)課程設(shè)置及課程內(nèi)容改革更新中，增設(shè)了模具CAE課程內(nèi)容。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)與實(shí)踐，并不斷對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段進(jìn)行改革和探索，已逐步形成了科學(xué)合理的模具CAD/CAE課程體系，此課程模塊突出了計(jì)算機(jī)輔助模具優(yōu)化設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，是模具專業(yè)人才培養(yǎng)方案中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2 模具CAD/CAE教學(xué)內(nèi)容安排

模具的種類比較多，實(shí)際生產(chǎn)所需模具又以塑料模、沖壓模、壓鑄模等為主，生產(chǎn)企業(yè)大多選用UG、Pro/Engineer、Solidworks等三維CAD軟件來(lái)進(jìn)行這些模具的設(shè)計(jì)。以我校模具專業(yè)人才培養(yǎng)方案為例，考慮到學(xué)生服務(wù)面向和崗位能力要求，選用了功能強(qiáng)大的Pro/Engineer作為模具設(shè)計(jì)教學(xué)軟件，課程安排在第4個(gè)學(xué)期進(jìn)行，此時(shí)學(xué)生已具備了沖壓模和注塑模具設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，這將有助于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)，符合教學(xué)和認(rèn)知規(guī)律。CAD部分的教學(xué)包括基礎(chǔ)建模、高級(jí)建模以及模具設(shè)計(jì)三大部分，著重培養(yǎng)學(xué)生的空間思維和三維設(shè)計(jì)能力。而在CAE教學(xué)軟件方面，選擇了廣泛用于注塑成型分析的Moldflow軟件和用于沖壓/壓鑄成型分析的Deform軟件。由于CAE分析是建立在CAD幾何建模的基礎(chǔ)上的，考慮到知識(shí)結(jié)構(gòu)的銜接性，把模具CAE部分的教學(xué)安排在CAD課程內(nèi)容之后進(jìn)行。

值得注意的是，對(duì)于高職院校的學(xué)生而言，基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱，CAE教學(xué)不能像本科教育那樣過(guò)多地引入理論方面的教學(xué)，應(yīng)該主要強(qiáng)調(diào)在應(yīng)用層面的教學(xué)，不涉及復(fù)雜的算法。課程目標(biāo)主要是讓學(xué)生了解有限元法基本思想、有限元分析的基本過(guò)程和核心問(wèn)題，學(xué)會(huì)利用相關(guān)的CAE軟件去分析和解決實(shí)際問(wèn)題。

3.教學(xué)方法和手段

模具CAD/CAE技術(shù)是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，重要的是熟練操作、靈活應(yīng)用。根據(jù)本人多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以工作過(guò)程為導(dǎo)向，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)進(jìn)行講、練結(jié)合的教學(xué)方式，為學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)在學(xué)中練、在練中學(xué)的學(xué)習(xí)情境，能夠取得較好的教學(xué)效果。

模具CAD作為一種計(jì)算機(jī)輔助工具，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的操作方法和操作技巧，必須通過(guò)引入大量的實(shí)際案例來(lái)進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生在課堂上邊學(xué)邊練，這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解。而對(duì)于模具CAE部分，因?qū)Ｓ密浖僮鬏^簡(jiǎn)單，教學(xué)的重點(diǎn)不在于軟件的使用方法和使用技巧上，把CAE課程引入高職教育的主要目的也并非要向?qū)W生講授理論知識(shí)，而是結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識(shí)，使他們學(xué)會(huì)應(yīng)用CAE軟件來(lái)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也為了學(xué)生能夠加深對(duì)本專業(yè)的理解。因此，在教學(xué)過(guò)程中，為了達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，教師要結(jié)合實(shí)際的工程案例，善用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助模擬分析，并根據(jù)模擬所得的圖表及動(dòng)態(tài)云圖直觀的展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及模具強(qiáng)度等問(wèn)題的影響，從而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

隨著CAD/CAE/CAM技術(shù)的快速發(fā)展，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)改變了傳統(tǒng)的試錯(cuò)設(shè)計(jì)法，采用從概念設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)模擬分析，再到優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品高效、低成本的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。高職院校模具專業(yè)要結(jié)合實(shí)際需要對(duì)CAD/CAE課程進(jìn)行改革和實(shí)踐，使學(xué)生真正具備基于工作過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，同時(shí)還要考慮與后續(xù)課程模具CAM相銜接，并不斷推進(jìn)模具CAD/CAE/CAM技術(shù)一體化課程的教學(xué)改革，以培養(yǎng)高素質(zhì)、有競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型模具人才。

[1]姜俊俠,劉白.模具CAD/CAM/CAE技術(shù)一體化課程建設(shè)初探[J].深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,8(3):23-25.

[2]陳暉,周細(xì)應(yīng),李名堯.模具CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造技術(shù),2010,31(11).

[3]管愛(ài)枝,施于慶,王瑞金等.模具CAD/CAE/CAM課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,22(2):153-156.