金属塑性成形广泛应用于机械、冶金、兵器、航空航天、汽车等部门，在国民经济中占有十分重要的地位。锻造是金属塑性成形中最重要的工艺之一，在工业生产中起着举足轻重的作用。随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车性能不断提高，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大，锻造新工艺、新技术的开发对新型汽车零件的生产尤为重要。《热锻压力成形工艺及模具实验》是机械工程、机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、机械电子工程等专业的一个重要实践环节，主要讲述金属压力成形中材料的下料、加热、锻造工艺及模具设计等相关内容，使学生掌握锻造工艺的基本内容，并能对锻造过程进行控制和优化，以获得所需几何形状、尺寸和性能的零件。

锻造工艺特别是热锻，通常在高温下成形，需要消耗大量能源，而且学生装夹模具并进行锻压操作也具有较高的危险性；另外锻压设备和加热设备的安装均需要专门的场地，配备模具和材料，安全要求高，投入巨大。

随着计算机技术的发展，采用虚拟仿真技术可以高度模拟实验设备和场景，真实再现实验过程，有效解决传统实验教学中遇到的问题。本实验项目根据热锻造成形工艺与模具实验教学内容和实验设备，采用3D仿真软件建立三维虚拟实验设备和场景，并在Unity3D中使用C#编程语言开发用户交互界面与实验操作流程，形成虚拟仿真实验系统。该系统的使用可以有效地解决实验设备不足、场地受限等问题，使学生可以单独、多次进行实验，通过与传统教学相结合，提高了实验教学质量和效率。

“中国制造2025”战略的实施，对锻造专业人才培养提出更高的要求。虚拟仿真实验教学对于探索人才培养模式和培养创新性专业人才具有重要意义。实验教学是高校人才培养工作中不可或缺的重要组成部分，对于人才的工程实践能力和工程创新能力的培养至关重要。实验教学包括传统实验教学和虚拟仿真实验教学，在传统的实验教学模式下，受限于各种条件的约束，学生只能在限定的时间和地点，利用限定的实验设备，完成特定的实验内容。传统实验只能完成具有“代表性”的一些“规定动作”，在一定程度上制约了学生创新思维和工程创新能力的培养。其次，热锻压力成形工艺及模具实验具有“高成本、高消耗、高危险性”的特点，采用常规的实验手段难以观察锻压成形过程中材料的实时应力应变状态。热锻压力成形工艺及模具虚拟仿真实验系统与传统实验教学形成互补，将为解决传统实验存在的弊端提供一种新方法，也为专业教学改革提供一种新思路。因此，改革传统实验教学模式，探索适应创新型人才培养的实验教学新方法，建设热锻压力成形工艺及模具虚拟仿真实验系统十分必要。

热锻压力成形工艺及模具实验是机械工程、机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、机械电子工程等专业的一个重要实践环节。传统的教学往往是填鸭式，学生在学习过程中难以掌握相关知识，对各种模具的认识仅停留于书本，尤其是一些模具的内部结构和具体工作过程无法观察。虚拟现实可以创建模拟和交互体验虚拟世界的仿真系统，具有沉浸式、交互性和构想性的特点。学生可以在虚拟环境中通过（点击、移动鼠标查看每副模具的结构和锻造工艺的原理动画）鼠标缩放、旋转了解锻造工艺成形原理及模具结构特点，掌握相关专业理论知识，进而达到理论联系实际，提高实践能力的教学目的。

知识水平：

（1）通过虚拟仿真模式，动态、直观、生动地了解热锻压力成形工艺过程。

（2）了解锻压设备的基本结构和工作原理。

（3）掌握常用锻造方法和锻造工艺过程。

能力水平：

（1）制订锻件成形工艺方案和锻造工艺规程。

（2）根据锻件性能要求，对锻造过程进行控制和优化。

（3）分析不同锻造工艺参数对锻件成形质量的影响。

热锻压力成形工艺及模具实验虚拟仿真实验系统是通过多媒体手段和人工智能技术，以实验教学内容和实验设备为依据，对热锻压力成形工艺及模具的真实实验环境、不能反复实验的锻压工艺、复杂的模具结构等构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，利用声像资源、软件和人机交互设备进行虚拟现实、模拟预估情境的体验式技能培养，帮助学生理解锻压成形工艺与模具设计的基本原理、工艺流程，激发学生专业学习兴趣，达到自主进行技能训练、实时自评、师生互动等技能提升目标。

知识点：共 4 个

（1）基本锻件结构的认知。观察模锻零件的结构特点。

（2）锻模结构认知。在三维环境下近距离观察锻造模具的工艺及使用过程。

（3）锻造工艺认知。蒸汽-空气模锻锤锻造、曲柄连杆锻造、齿轮毛坯锻造及热模锻的虚拟仿真模拟。

（4）交互式加工锻件。本实验设计有齿轮坯锻造缺陷分析虚拟仿真实验模块，在虚拟仿真实验模块，可以自主探究毛坯尺寸、锻造温度、飞边桥高度、飞边桥宽度对锻件质量的影响。

本实验设计制作2大功能模块：模块1具备蒸汽-空气模锻锤锻造、曲柄连杆锻造（图6）、齿轮毛坯锻造及热模锻的虚拟仿真模拟功能；模块2为齿轮坯锻造缺陷分析虚拟仿真实验模块。

1. 模块1包括11个主要步骤：

（1）学生交互性操作步骤，共11步

（2）交互性步骤详细说明

学生交互性操作步骤说明：

学生分别通过电脑键盘上的W、A、S、D控制视角的移动，按住鼠标左键实现物品点击、连线等操作。

步骤1：本虚拟实验分为两种材料，每种材料分为三个部分：蒸汽-空气模锻锤、热模锻压力机和齿轮毛坯锻造过程。以第一种材料为例，首先进行设备认知，然后点击窗口右方的按钮开始实验。

步骤2：进入蒸汽-空气模锻锤模块，分别介绍单次锻压和连续锻压实验原理。

步骤3：进入热模锻压力机模块，分别介绍单次锻压和连续锻压实验原理。

步骤4：进入齿轮毛坯锻造过程，第一步，镦粗。夹取毛坯，然后将其放入镦粗模堂。

步骤5：拉动控制杆，进行毛坯镦粗。

步骤6：仔细观察工件，然后单击鼠标右键将其放回。

步骤7：然后拉动控制杆，进行毛坯预锻。

步骤8：然后拉动控制杆，进行毛坯终锻。

步骤9：请单击夹取工件，将其放入传送带，右击工件可进行360自由观察。

步骤10：最后进行毛坯切边。

步骤11：观察毛坯，实验结束。可以返回首页开始另一个工件的锻造。

2.模块2包括22个主要步骤：

（1）学生交互性操作步骤，共22步

（2）交互性步骤详细说明

学生分别通过电脑键盘上的W、A、S、D控制视角的移动，按住鼠标左键实现物品点击、连线等操作。

步骤1：右侧设有菜单，可以选择相应菜单开始实验。

步骤2：选择场景漫游，即可以开始漫游厂房，漫游完毕可以选择其他菜单项进行实验。

步骤3：进行缺陷认知部分。

坯料在炉内高于始锻温度，若保温时间过长，则会产生过热组织，力学性能降低。

步骤4：缺陷分析分为实验练习与实验考核部分，实验练习可以选择实验项目，分别探究毛坯尺寸、锻造温度、飞边桥厚度、飞边桥宽度对锻件质量的影响。

步骤5：可以选择不同的毛坯镦粗后的尺寸，探究毛坯尺寸对锻件质量的影响。

步骤6：仔细观察实验，选择好尺寸之后选择合适的加热温度并进行加热。

步骤7：进行镦粗，降低坯料的高度，增大毛坯直径

步骤8：将镦粗后的坯料放入第二个工位，进行终锻，并且显示完整的金属充填过程。

步骤9：选择第二个尺寸，重复以上加热、镦粗、终锻过程。

步骤10：缺陷分析实验完成，可以选择齿轮毛坯锻造进行探究。

步骤11：输入毛坯直径与高度。

步骤12：输入加热温度与加热时间。

步骤13：设计镦粗后的尺寸。

步骤14：设计终锻型腔，输入终锻型腔飞边桥宽度与高度。

步骤15：开始实验，进行退刀，旋转标尺，移动棒料。

步骤16：切削棒料中。

步骤17：拿起棒料，准备加热。

步骤18：设置好之前设定的加热时间，对切削好的棒料进行加热。

步骤19：对加热后的棒料进行镦粗。

步骤20：将坯料放入下一个工位，进行锻压。

步骤21：用铁叉将坯料放入切边机，启动压力机进行切边。

步骤22：锻件已经冷却，右击可拿起放下坯料进行观察。