虚拟仿真在金属砂型铸造的应用

摘要：为了使学生快速掌握金属砂型铸造成形的操作步骤，更好地完成金工实习中的砂型铸造科目，构建了砂型铸造虚拟仿真实验教学平台，通过趣味性的虚拟仿真动画交互，让学生熟悉砂型铸造的每一个步骤，并强调步骤的要点。平台还提供多种零件模型，学生根据所学知识，自主选择浇铸系统和分型面，系统给出铸件质量分析，理解成形工艺对铸件质量的影响。问卷调查结果表明，学生对平台的认可度较高，达到了预期效果。

关键词：虚拟仿真；砂型铸造；金工实习；机械制造技术

虚拟仿真技术是21世纪信息技术的代表，它的互动性和逼真性有望给传统教学方式带来革命性的升级[1-5]。教育部2018年4月18日印发了《教育信息化2.0行动计划》，明确提出加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设的智慧教育创新发展行动，其中示范性虚拟仿真实验教学项目是重要的载体[6]。目前，虚拟仿真技术在冶金教学方面已有不少成功引用的案例[7-9]。本文通过构建金属砂型铸造成形虚拟仿真实验平台，以交互式的虚拟三维模型，引导学生熟悉砂型铸造的步骤、工艺及质量分析等，以期探索虚拟仿真技术在金属成形实践教学中的应用方式，为教学模式的革新提供借鉴。

一、平台架构及操作

平台架构虚拟仿真实验平台采用Unity3D制作，平台架构如图1所示。置入不同模具（零件），学生根据所学知识选择浇铸系统与分型面，确定成形工艺，按照步骤执行，仿真最后铸件成形质量，反推成形工艺对成形质量的影响，总结出影响铸件质量的关键因素，生动、快速理解液态金属成形技术要点。虚拟仿真砂型铸造交互操作分为13个步骤：安放模具，用鼠标将所选零件放置于砂箱内；填砂紧实，通过控制铲子，将型砂填入砂箱，并用压头压实；修整，控制模板，将型砂抹平；翻转下砂箱，控制下砂箱，将其翻转；修整分型面，撒上分型砂；放置上砂箱，控制浇口棒放于合适的位置；填砂紧实，控制铲子，用型砂填满上砂箱；修整，控制模板修整；插通气孔，用针在合适位置布置通气孔；拔出浇口棒，并分开上下砂箱；起模，用针起模；修型，挖内浇道；合箱，将上下砂箱合上，开始浇筑。学生首先在模具库中选择要铸造的零件，每种零件对应有1种或多种成形工艺方案，选择完成后进入交互场景。场景中有上下箱体、铲子、刮刀、型砂、木板、模具等，学生用鼠标点击工具可进行拖动与操作，场景中有文字提示，可引导学生操作。主要面向机械设计制造及其自动化、车辆工程、机械电子工程、工业工程等机械类及近机械类专业的二、三年级本科生开设。在使用该虚拟仿真实验平台前，要求学生已经修习了机械制图、金属工艺学等课程内容，已经熟悉和掌握相关专业知识。

二、特色与创新

平台特色液态金属成形实验涉及高温金属，学生必须在充分掌握成形技术后方可实际操作，难以做到铸造零件的多样性，也难以做到浇铸系统和分型面选择的多样性。因此，本平台采用虚拟动画，选择不同零件，根据不同零件设置不同成形工艺，最终得出铸件，仿真铸件的质量，并进行质量分析，反推工艺参数的确定。软件经过编译后，可在个人电脑安装程序，对电脑配置要求较低，目前市面主流配置的电脑皆可流场运行。该教学方法的创新具体体现在以下三个方面。首先，实现理论课堂和实验教学的结合。采用所开发的虚拟仿真实验平台，在理论课堂可方便进行实验操作，打破了传统实验教学与理论课堂的脱节现象，实现了理论和实验教学的紧密结合。其次，实现课堂翻转，使学习的决定权从教师转移给学生。采用该虚拟仿真实验平台，学生可以在渲染的虚拟信息指导下进行实验操作，多样的互动性使学生迅速理解机构的工作原理和特性等，促使主动学习。第三，实现虚实融合互动的机构虚拟仿真实验教学。采用该虚拟仿真实验平台，可在真实的环境中通过交互操作来实现虚实融合的实验体验，克服了传统纯虚拟仿真实验教学存在的脱离实物、不能进行实践教学的现象，易使学生从被动的接受者转变为主动的学习者。完成实验步骤后，通过铸件质量的仿真及质量分析，提供铸件成形工艺的判断，可视化的评判，使学生更易发现问题所在。传统的实验教学提升了材料成形技术基础和金工实习中液态金属成形的教学效果，但仍然存在零件多样性差、工艺单一的问题。本项目在此基础上，借助虚拟仿真技术，通过虚实融合实现自然的人机交互，提供了更智慧化的学习环境，是对传统虚拟仿真实验教学的延伸。该虚拟仿真实验平台，提供多样化的零件及成形工艺，为学生提供了一个不受时间、空间限制的智慧化学习环境，并且实现了理论课堂和实验教学的结合，是对传统的实验教学的拓展。使用该辅助教学平台后，采用不记名问卷调查方式，统计学生主观评价。83.3%学生认为，该虚拟仿真实验平台有助于快速熟悉砂型铸造的工艺流程。75%学生认为通过平台的使用，加深了对金属铸造成形知识点的理解。87.5%学生认为该虚拟平台增加了学习的趣味性。66.7%学生认为用过平台的使用增加了对课程的和专业的热爱度。在意见或建议一栏，学生主要反馈模型数量偏少，操作流畅度需要进一步提升。从调研结果来看，虚拟仿真在金属铸造成形中有较好的应用效果，大部分学生对互动教学内容感兴趣，加深了对课程教学内容的理解，拓展了铸造知识面，有助于实习的顺利进行。调研结果表明，虚拟仿真技术在金属成型技术的教学中有较大的应用前景。随着模型库的扩展，本平台可逐步实现复杂零件的砂型铸造演示，并可向其它铸造工艺拓展。

三、结语

所搭建的平台只针对砂型铸造，尚未建立其它铸造工艺的交互场景。目前，工业常用的特殊铸造如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造等，也需要学生掌握基本原理。由于条件限制及安全考虑，这些特种铸造形式难以开展实际操作。因此，虚拟仿真技术成为很好的选择之一。平台需要在特种铸造上进一步扩展，增加教学内容。材料成形技术基础课程一般不设置实验及上机内容，学生对铸造工艺的认识主要通过老师课堂讲解。虚拟仿真平台需要在课程中设置一定课时的上机教学内容，完成铸造的虚拟仿真实验，并要求学术在上机后完成实验报告，这有助于学生加深对铸造工艺的认识，培养学习兴趣。

作者：李锦棒 于爱兵 刘洋 单位：宁波大学机械工程与力学学院