侧重专业方向的CDIO课程实践

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　　摘  要 西安交通大学机械工程学院率先尝试宽口径通才教育模式，十余年探索表明，仍需要有深入的专业方向背景，并先后进行专业模块系类课程、带有专业背景的实践课程的选修以强化专业背景的改革与实践。在降课时、减学分背景下，通过简短细分专业方向基本理论导入结合多样性、专业性项目设计实践，侧重于专业方向的CDIO课程实践能够很好地承担这一任务。以模具设计与制造工艺课程为例，介绍西安交通大学机械工程学院在这一方面的实践与探索。
　　关键词 CDIO;机械工程;材料成形;模具设计与制造工艺
　　中图分类号：G642.3    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2020）04-0079-04
　　Practice Course of CDIO Focusing on Specialty Field//ZHANG Dawei
　　Abstract It needs an in-depth knowledge of specialist background under a generalist education mode with a wide aperture specialty. Practice course of CDIO focusing on specialty field can provides the
　　in-depth specialist knowledge. During the practice， the fundamentals of specialty field is briefly introduced， and then it connects with mul-
　　tiple and professional CDIO program. Taking the course of Die Design and Manufacturing as example， this paper presents the prac-
　　tice and exploration in this aspect from School of Mechanical Engi-neering， Xi’an Jiaotong University.
　　Key words CDIO; mechanical engineering; materials processing; die design and manufacturing
　　1 引言
　　CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）教學模式的开发始于美国和瑞典的四所大学，并于2004年正式定型推广[1]。我国于2005年开始进行CDIO教育模式的研究与实施，并结合实际情况、办学层次、专业需求形成如EIP-CDIO等多种各具特色的CDIO教育模式[2-6]。目前CDIO已经成为国内外工程教育的主流模式[7-10]，并有从本科教育向研究生教育拓展的趋势[11]。西安交通大学在本科教育改革中也逐渐形成以“CDIO培养模式+工程教育认证”的工科专业培养模式[12]。
　　西安交通大学机械工程学院于1994年率先尝试宽口径专业教育模式并取得一定成果[13]。由于专业背景弱化也给直接就业学生带来专业岗位适用期长等问题，从2010年起增加了具有专业背景的模块（由系列专业课程构成）选修学习。在此基础上尝试在实践环节进行CDIO训练，开设“模具设计与制造工艺”等六门集中实践课程，学生任选一门以团队形式进行。在2015版培养方案调整中，这种模块化的实践课程形式得以保留，并独自承担宽口径通才教育下强化“窄口径”专业背景的作用。
　　由于实践项目的开放性，上述六门课程项目设计、实施过程不尽相同;即使同一门课程中，不同团队根据实际项目和指导教师的差异，也表现出多样性。本文以“模具设计与制造工艺”课程为例，结合笔者近年指导经验，介绍开展侧重专业方向的CDIO实践的探索。
　　2 “模具设计与制造工艺”课程简介
　　“模具设计与制造工艺”是西安交通大学机械类专业的一门集中实践课程，主要任务是通过课堂教学、课内实验教学等环节培养学生的创新意识以及模具设计与制造的应用能力，使学生掌握模具设计与制造的基本知识和基本方法，具有基本的模具设计能力，以及对模具设计与制造工艺问题进行分析、求解和论证的能力，以适应市场对该领域高级工程技术人才的需求。课程主要有三个目标。
　　目标1：掌握模具设计的基础知识和基本方法，通过文献分析，研究模具设计主要参数对成形零件的影响规律;对成形复杂零件过程中所涉及的物理现象、材料特性进行实验验证。主要通过课堂集中讲授（八学时）实现，并在分组项目实施中得以运用和巩固。
　　目标2：通过调研，提出特定需求的成形零件，给出多种成形解决方案，对方案进行分析、论证，确定合理的模具设计解决方案;能够根据模具设计解决方案，进行模具设计计算与优化，完成成形零件的整体模具结构设计，提交模具计算说明书和工程图纸。
　　目标3：具有职业规范和团队合作意识，配合团队项目的实施，调整和完成进度计划和个人任务，合理进行项目的任务分解和计划实施，具备团队组织管理能力和项目管理能力，能够通过小组讨论、汇报、答辩等形式，进行有效沟通。
　　后两个目标主要是在分组项目实施中实现。
　　整个课程计划进度如表1所示。课程内容分为专业知识理论部分和实践部分。在实践阶段，围绕项目以团队形式开展。每一项目小组由五名左右学生组成，每一位教师负责1～2个小组的指导工作。每一个小组自由选题，项目组成员共同确定项目内容。一般来说，每一个小组的项目均不相同。
　　每一个小组学生自行推荐一名负责人，合理进行项目的任务分解和计划实施，通过团队分工合作，调整和完成进度计划和个人任务，实施过程中通过小组讨论、汇报等形式进行有效沟通。在项目进展中后期，根据进展情况，指导教师推荐，经评审选取20%～30%的项目进行模具实物加工。最终以答辩形式，答辩评审教师从项目调研与结论的有效性，解决方案的合理性与有效性、创新性，项目管理，项目执行报告与现场答辩情况等方面对项目给出评分，其平均分构成学生最终成绩的70%左右。指导教师根据项目组成员平时汇报、交流、承担任务完成等实际情况分别给出个人成绩，其构成学生最终成绩的30%左右。 　　3 CDIO项目实施设计
　　在专业知识基础讲授、总结报告、工程图纸与项目答辩等方面制定统一的标准与要求，而具体项目的选题、实施等方面存在很大的开放性，赋予学生和指导教师较大的自由度。不同指导教师甚至同一指导教师下的不同项目组之间都表现出巨大的差异性，笔者在四届（2010级、2013—2015级）六组学生的指导过程中也不断进行微调和改进。
　　由于课程内时间条件和其他条件限制，笔者对文献[1]中所提供的构思—设计—实施—运行四个阶段的主要内容进行筛选，选定可实施的内容：“构思”中的需求、技术，“设计”中的系统分析、元件设计、失效和预案分析、确认设计，“实施”中的硬件制造、系统整合、改进。根据所选定的不同阶段的实施内容，结合材料成形工艺及模具设计实际，笔者分别在构思—设计—实施阶段确定如表2所示内容以指导学生按要求开展工作。表2中加粗部分内容是必须进行的，其余部分根据实际情况确定。其中“构思”部分的“文献检索”主要是产品制造（成形）工艺、模具结构等技术部分内容。
　　诚如文献[1]中对所列CDIO四阶段内容所指出的“并没有按照顺序列出内容”“在产品研发工作中需要对这些任务进行大量的迭代”那样，具体指导实施过程的路线如图1所示。在实施过程中，1～2周进行一次小组任务进度汇报，和指导教师进行讨论，团队所有成员出席。平时小组内部根据实际情况，部分或全体开展讨论与沟通。根据实际需求，个别成员或负责子任务的成员（们）随时可联系指导教师，汇报、沟通、寻求指导。
　　对所指导的学生简介CDIO，并对实验场所能够用于工艺实验的设备的原理、适用范围进行简单介绍，引导学生结合设备考虑工艺的选定、模具的设计。可支持后期物理模具试模及工艺实验的设备有160吨摩擦压力机、500吨液压机、160吨多向液压挤压机、160吨伺服压力机、63吨伺服压力机、10吨材料试验机、单点渐进成形实验平台、全自动注塑机、小型压铸机等。同时介绍已有模具实物结构（包括之前的课程项目加工制造的模具），加深直观认识。特别是以前课程项目优秀成果能够激发学生开展工作的动力。
　　上述工作在和分组后学生第一次见面时进行。随后1～2周时间内，学生完成市场调研、确定目标零件等工作，这部分内容将成为项目背景意义的组成部分。
　　然后完成小组内的任务分工，按任务并行或顺序进行。根据理论、经验、手册进行工艺路线和模具结构设计，然后采用数值分析方法虚拟实现工艺过程，根据数值分析结果改进、优化工艺路线和模具结构。这一部分内容或项目实施阶段是重点，特别需要关注——它是不可缺少的重要环节，是师生交流互动最多、最需要加强指导的阶段，是综合能力培养提升之所在。
　　为了便于项目在有限的时间顺利实施，针对具体情况可对目标零件结构进行简化和再设计，对工艺路线进行简化，缩短加工流程;对模具结构进行简化，尽可能采用简单模。这些工作将在下一节实例中根据具体情况介绍实施情况。
　　由于设计质量和经费限制，只有少部分小组能够进行加工制造。但不论是否进行模具实物加工制造，都会要求对加工过程进行评估和预算，包括标准件选用及报价、工作零件以及其他非零件的材料选择、加工询价等。若所设计模具结构复杂，加工前会对模具进行简化和重构。
　　4 CDIO实践案例
　　上述项目实施流程在实施过程不同阶段，针对具体情况，执行情况也是不同。在有限元分析阶段主要提供技术支持，对软件使用、仿真建模、结果分析提供建议、帮助、指导。若项目进入模具加工制造阶段，协助联系加工制造。在项目实施的核心阶段要加强干预和指导，特别是工艺流程、模具结构的确定。本节主要在目标零件、工艺流程、模具结构三个方面结合实例介绍实施情况。
　　目标零件  学生在市场调研和目标零件选取方面完全发挥主动性，但是在选定目标零件后在具体的结构尺寸上需要一定的干预。一般为了降低成形工艺分析及建模仿真的难度、简化模具结构、便于模具加工及工艺实施、缩短项目周期，会对零件再设计，简化细节，仅保留主体结构。此时要求对重新设计目标零件进行静力分析、校核强度。
　　如“啤酒瓶开瓶器冲压模具设计”项目中，首先对开瓶器的几何模型进行简化，如图2a所示;并通过采用有限元法进行工作状态时的静力分析，如图2b和图2c所示，根据分析结构改进如厚度等几何参数，确定目标零件几何模型;然后进行冲裁工艺、冲裁模具的设计。
　　工艺流程  参照手册、经验和类似的工艺流程，运用所学的知识选择目标零件成形方法、设计工艺方案。此时的工艺方案可能是多道次，流程较长，需要多套模具成形。这增加了模具设计周期和制造成本，这种情况下一般会简化工艺、缩短流程，只进行一套模具设计与对应的成形过程分析。
　　如“换热器衬套冲压模具设计”中的板式换热器金属衬环（如图3a所示），采用落料—拉深—冲孔—翻边（如图3b所示），成形质量好，可成形较高的直边;但流程长，模具结构复杂，实施难度较大。因此将工艺流程简化为冲孔落料—翻边（如图3c所示），所实施的项目只对翻边过程进行工艺分析和模具设计，工艺实验中的坯料（冲孔落料的环形件）实际上是由线切割提供的。
　　模具结构  模具结构设计和选用设备密切结合，根据成形过程有限分析的载荷结合模具运动要求选择成形设备。仍以金属衬环冲压模具设计项目为例，成形过程中需要施加压边力以及冲头的竖直运动，因此选用多向液压挤压机为实施的平台。利用合模力进行压边，上方液压缸提供冲头直线运动。基于此设备设计的模具结构（图4）比基于单动压力机的模具结构简单。
　　由于零件尺寸较大（法兰外径150 mm），从而导致模架尺寸较大，如图4a所示，成本较高。即使采用标准模架，对上模座仍需进行二次加工。因此，在实施阶段对模具进行简化與重构，省略导向装置，如图4b所示。最终该项目在当年获得资助，得以实施，如图5所示。虽然由于模具安装调试中冲头（凸模）和压边圈、凹模对中没处理好，冲压零件不理想，但项目小组成员对原因进行了分析，提出模具改进意见，体现了“实施”中的改进环节。 　　5 结语
　　“模具设计与制造工艺”侧重于原材料成形与控制工程专业下的实践训练。专业基础理论集中授课，项目评估统一答辩，具体项目繁杂多样，实践项目具体实施过程及其设计是重点。在项目实施导入中结合实践场所的设备及模具工装，引导学生形成工艺—模具—设备一体化设计思路，在“构思”“设计”阶段的目标零件确定、工艺流程选择、模具结构设计要予以重点监控和指导。为缩短项目周期、降低“实施”成本、提高成功率，需要对零件几何模型、工艺流程、模具结构进行适当简化。实践表明，侧重于专业方向的CDIO课程实践能够完善宽口径通才教育模式下的专业方向背景，是实践环节的有益尝试。
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　　作者：张大伟，西安交通大学机械工程学院，副教授，博士，博士生导师，研究方向为材料成形工艺及设备（710049）。
　　作者：張大伟，西安交通大学机械工程学院，副教授，博士，博士生导师，研究方向为材料成形工艺及设备（710049）。
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