工程訓練與機械制造基礎綜合課程的探索與實踐
——以鑄造工藝為案例

周世權， 黃勝智， 趙 軼， 李智勇， 陳文鍔， 周 琴

(華中科技大學 工程實訓中心， 武漢 430074)

0 引 言

機械類機械制造基礎系列課程包括機械制造技術基礎、機械制造實習和實驗。其歷史悠久，在1980～2000年期間，機械制造技術基礎課程學時數(shù)最高達到120學時，機械制造實習(原金工實習)和實驗最長達到8周，一般由金工教研室教師負責教學組織和安排，通過教師設計和參與指導實習和實驗將理論課與實踐課緊密結合。但2000年后,由于課程改革,很多學校的機械制造技術基礎課程被分解為材料成形技術基礎和機械制造技術基礎兩門課, 而且兩門課被分散到材料和機械兩個學院, 原金工實習拓展為工程訓練課程獨立歸屬到工程訓練中心, 導致理論與實踐嚴重脫節(jié)。上理論課的老師不知道學生實踐課做了什么， 實踐課的老師也不管理論課需要什么實踐內(nèi)容。近年來，許多學者疾呼高等工程教育應該回歸工程，但絕不是說各自單獨去搞理論和實踐教學，所有的實踐教學都應該有利于理論與實踐的緊密結合，有利于拉近理論課教師與實踐課教師的距離，有利于拉近理論課教師與學生的距離[1]。在教育部構建實驗教學示范中心的教學質量工程中，一門新型實踐課程工程訓練課程快速在全國高校中建立，很多有遠見的高校堅持將機械制造基礎理論課與工程訓練實踐課共同歸屬于一個單位(工程訓練中心、工程實訓中心或工程實踐與創(chuàng)新中心)，從而進一步加強了理論課與實踐課的聯(lián)系，促進了教學水平的提高和教學質量的提高。比如哈爾濱工業(yè)大學，大連理工大學等學校，通過理論課教師與實踐課老師的有機合作，通過學科發(fā)展的帶動和引領，教學成果水平不斷提高，新的課程甚至新的專業(yè)在中心建立起來[2]，中心的可持續(xù)發(fā)展成為可能。同樣香港理工大學工業(yè)中心已經(jīng)從過去的模擬工廠轉變?yōu)檠辛暪S，這也表明了理論與實踐緊密的結合是高等學校工程教育的發(fā)展方向[3]。

國際上研究型大學沒有單獨的工程訓練課程，通常由理論課程中安排若干工程項目實踐來實現(xiàn)理論與實踐的結合。例如，美國麻省理工學院機械工程專業(yè)所開課程中有Design and Manufacturing I &Ⅱ, 將設計與制造緊密結合，同時通過項目實踐在規(guī)定的時間和預算內(nèi)，完成項目的任務。強調(diào)制造工藝性和功能完整性，課程主要依托通過設計和建造項目的主動學習，設計、 工程和管理學科的集成和制造企業(yè)分析與設計的實踐,重點是制造過程和系統(tǒng)的物理和多樣性，以及他們對質量、 速度、 成本和柔性的影響。其中一半時間學生要到實驗室進行項目設計、制造和分析。這些世界一流大學沒有訓練(Training)的課程名稱，一般都是以Project(項目)和Practice(實踐)名稱出現(xiàn)。通常是職業(yè)技術學院和應用型大學才開設Training課程。這也說明研究型大學實踐教學的目的是為了對理論的理解和應用，進而提高分析問題和解決問題的能力，是通過實踐學會工程研究的方法，而不是為了培訓技能。

國內(nèi)高校中近年來對理實一體化課程的研究逐步增多[4-7]，其方法有將課堂放到車間邊講邊練，學用結合；有制定模塊，講練交替的；還有給予職業(yè)發(fā)展取向，強化技能應用的?？偟膩砜催€是停留在用實踐來理解工藝原理，進一步提高工藝技能, 職業(yè)化教育的傾向比較明顯。

筆者在學校教學質量工程研究項目和湖北省教學研究項目的支持下，通過文獻研究和調(diào)研，提出了構建“機械制造技術基礎綜合課程”的研究項目，并做了大量的研究工作，形成了旨在提高學生分析問題解決問題的能力的課程體系和教學內(nèi)容。

1 理實一體化課程體系及教學內(nèi)容設計

機械制造技術基礎綜合課程體系：以現(xiàn)代制造技術為基礎、以典型案例實踐與分析為先導、以計算機輔助工藝設計為核心、了解傳統(tǒng)工藝方法的特點、培養(yǎng)綜合工程能力和創(chuàng)新精神[8]。

根據(jù)課程體系要求，按照教學內(nèi)容，將每一知識點的教學按照先到實習車間進行實踐教學，獲得工程實踐的感性認識和動手能力。然后在課堂上進行歸納，總結。同時提出問題和項目任務，學生通過自學、設計、制作獲得產(chǎn)品功能；最后，再到課堂對存在的問題進行研討、獲得解決問題的方案和創(chuàng)新報告。

根據(jù)上述課程體系要求和分析，確定“機械制造技術基礎綜合課程”的教學內(nèi)容為：

體驗傳統(tǒng)制造工藝方法，掌握先進制造工藝裝備操作，講授與討論制造工藝基本知識，進行典型零件工藝分析與制作實踐，項目設計與工藝設計研討，項目實施與制作、運行考核、報告與答辯。

具體教學內(nèi)容設計如表1所示。主要針對機械類專業(yè)原來“金工實習”和“機械制造技術基礎”兩門課合計學時為200，經(jīng)過整合實際學時為176，其中實踐內(nèi)容所占比例不能與理論教學完全分開，只能根據(jù)教學需要，有時可能要進行分析、討論，有時需要實驗、制作。按照課程章節(jié)內(nèi)容同時安排認識實踐、講課、動手操作、工藝分析講課、項目任務實施與答辯。

表1 “機械制造技術基礎綜合課程”的教學內(nèi)容設計

2 鑄造工藝章節(jié)案例實施方案

2.1 教學目標

根據(jù)機械類專業(yè)對畢業(yè)生能力要求，本章節(jié)可以貢獻給專業(yè)論證中畢業(yè)生能力指標中的第3、6、8、9、和12項中的內(nèi)容[9]，具有初步鑄件結構設計能力、鑄造工藝設計能力；掌握砂型鑄造的操作技能；了解其他鑄造方法特點及應用、鑄造合金的特點及應用，能夠用3D打印技術實現(xiàn)工藝設計，并實施工藝過程。

2.2 教學內(nèi)容與學時分配

(1) 鑄造工藝認識實踐(6學時)。① 參觀鑄造實訓室及工藝品鑄造實際操作(4學時)。認識型砂、砂箱、模樣、芯盒、造型工具、造型、澆注系統(tǒng)、合箱、熔煉、澆注、落砂清理、檢驗等鑄造過程；鑄件的特點及應用；親手鑄造十二生肖小工藝品，培養(yǎng)興趣。② 觀看視頻錄像(2學時)。認識熔模精密鑄造、離心鑄造、壓力鑄造、消失模鑄造等特種鑄造工藝。

(2) 鑄造工藝基礎知識講座(4學時)。① 金屬及合金的鑄造性能(2學時)。熟悉流動性、收縮性、應力的概念；正確選用常用鑄造合金。② 砂型鑄造工藝的內(nèi)容(2學時)。熟悉零件圖與鑄造工藝圖的異同點，明確分型面、分模面、型芯、型芯頭、型芯座、起模斜度、加工余量、澆注系統(tǒng)等定義和作用。

(3) 砂型鑄造工藝實踐(6學時)。① 兩通鑄件的分模鑄造工藝過程操作演練(4學時)。讀懂零件圖和鑄造工藝圖、正確選擇模樣和芯盒、造型、制芯、下芯、合箱、合金熔煉、澆注、落砂清理、質量檢驗、質量改進方案。② 其他造型方法現(xiàn)場演示教學(2學時)。整模、活塊、三箱造型方法的特點和造型過程。

(4) 鑄件結構設計原理講座(2學時)。熟悉砂型鑄造鑄件結構工藝性的概念、正確設計鑄件的外形、內(nèi)腔、壁厚、圓角及壁間過度以及減小結構應力的設計等。了解其他特種鑄造鑄件結構設計的內(nèi)容。

(5) 鑄造工藝綜合設計與制作項目(20學時)。① 3D打印軟件及硬件的操作演練(4學時)。學會FDM3D打印機的操作過程、三維設計軟件的使用和三維模型的轉換。② 分析典型鑄件砂型鑄造的結構設計和工藝設計(4學時)。能夠對典型鑄件進行結構設計、工藝設計；獲得三維工藝設計圖、模樣三維圖、芯盒三維圖。③ 模樣和芯盒的3D打印制作(4學時)。將模樣三維圖和芯盒三維圖轉換為3D打印軟件格式文件，生成3D打印程序文件，進行3D打印操作，獲得模樣和芯盒實物，打磨修整。④ 造型、制芯、下芯、合箱、熔煉澆注、落砂清理和檢驗(4學時)。采用3D打印獲得的模樣和芯盒、到鑄造車間完成各種設計方案的鑄造工藝過程，記錄鑄造工藝相關參數(shù)。⑤ 分析討論結構設計和工藝設計的合理性(4學時)。從鑄件質量、工藝操作難易程度、效率和成本等方面分析結構設計和工藝設計的合理性，提出改進方案。

2.3 實施步驟與教學方法

(1) 鑄造工藝認識實踐。以班為單位到鑄造實訓室，優(yōu)先由實習指導教師演示砂型鑄造過程，然后學生親自動手鑄造十二生肖工藝品(見圖1)。學生參觀實訓室，記錄相關設備、工模具。由教師組織看錄像片，了解其他特種鑄造工藝過程。

圖1 十二生肖工藝品的鑄造

(2) 鑄造工藝基礎知識講座。 由教師講授金屬及合金的流動性、收縮性、偏析與吸氣，鑄造性能與力學性能間的關系，討論鑄造合金的選擇。認識零件圖與鑄造工藝圖，分析鑄造工藝參數(shù)與鑄造工藝圖設計。

(3) 砂型鑄造工藝實踐。由實習指導老師安排學生鑄造兩通鑄件[10]，從零件圖分析、鑄造工藝圖設計、到選擇模樣、芯盒、造型、制芯、下芯、合箱、澆注、清理和質量分析(見圖2)。 其他造型方法(整模、活塊、三箱)的演示性示范講解。

(4) 鑄件結構設計原理講座。由教師講授砂型鑄造的鑄件結構設計，包括外形、內(nèi)腔、壁厚、壁間連接的設計原則、減小鑄造應力的設計；其他特種鑄造方法的鑄件結構設計。

(5) 鑄造工藝綜合設計與制作項目。 教師下達項目任務書(見圖3)，組織學生分析典型鑄件的結構設計與鑄造工藝間的關系。結構設計與鑄造工藝的多樣性，分組設計不同鑄件結構和工藝方案。指出實現(xiàn)工藝方案的可能途徑(傳統(tǒng)機械加工、數(shù)控加工、特種加工、3D打印)。

3D打印實訓室指導教師組織學生學習FDM3D打印軟件和打印機的操作，學生實操3維圖形轉換-3D打印程序生成-基底安放-3D打印過程控制-產(chǎn)品后處理。

學生采用3D打印制作工藝設計的模樣、芯盒，并對表面進行拋光處理。

學生采用所獲得的模樣和芯盒進行造型，制芯、合箱；選擇鑄造合金熔煉、澆注；落砂清理，質量分析。相關工藝參數(shù)記錄、質量參數(shù)記錄、效率與成本記錄。

圖2 兩通鑄件的鑄造工藝過程

槽輪鑄件為鑄造鋁合金ZL102，大批量砂型鑄造，試分析結構工藝性，設計鑄造工藝方案，設計制作模樣和芯盒，鑄造工藝過程實施，鑄件質量分析，成本分析和效率分析

圖3 槽輪鑄件項目任務書

撰寫設計說明書和工藝過程分析報告，提交作品和報告，參加答辯。

3 教學效果分析

2016年3～7月，在材料控制1404-06，工程1401-02班中進行試點，學生經(jīng)過有關鑄造工藝知識的學習和操作實踐，初步學會采用鑄件的結構工藝性設計原理和鑄造工藝設計方法完成槽輪鑄件的結構工藝性設計，鑄造工藝設計；并用FDM3D打印制作模樣和芯盒，然后用砂型鑄造工藝實現(xiàn)鑄造工藝設計。部分學生的學習積極性得到充分調(diào)動，自主學習澆注系統(tǒng)和冒口的設計，采用實驗測得凝固時間公式中的時間常數(shù)和指數(shù)。取得了良好的教學效果。

3.1 學生結構設計和工藝設計結果

(1) 結構設計。通過結構設計獲得如圖4、5所示的兩種結構的零件。

(2) 針對結構設計1的鑄造工藝設計。由于結構設計1中，中心輪轂高于輪緣，為了實現(xiàn)大批量機器造型，應采用分模兩箱造型，芯盒也采用兩半分開式芯盒，見圖6、7。

圖4 槽輪零件結構設計1

圖5 槽輪零件結構設計2

圖6 結構設計1的鑄造工藝設計

(3) 針對結構設計2的鑄造工藝設計。由于結構

設計2中，中心輪轂與輪緣等高，大批量機器造型，可采用整模兩箱造型，芯盒采用外壁圓形結構，內(nèi)部兩半分開式芯盒，見圖8、9。

圖7 結構設計1的芯盒設計

圖8 結構設計2的鑄造工藝設計

圖9 結構設計2的芯盒設計

3.2 凝固時間公式中的時間常數(shù)和指數(shù)的實驗測定

根據(jù)凝固時間公式t=C(V/S)n,對一定成分的合金，如果已知公式中的常數(shù)C和指數(shù)n,對特定鑄件就可以計算出凝固時間t。而知道凝固時間后，就可以設計冒口尺寸；同時還可以計算澆注速度，進而可以設計澆注系統(tǒng)[11]。

通過對同樣體積的球形件、圓柱形件、長方體形件、正方體形件等用液體殘留法實測凝固時間(見圖10)，得到不同ln(V/S)對應的lnt的一條直線(見圖11)，直線的斜率為n, 直線的截距為lnC.計算得n=0.738 8,C=99.544，為澆注系統(tǒng)設計提供依據(jù)[12]。

3.3 FDM 3D打印制作模樣和芯盒

通過工藝設計，將三維圖轉換為3 D打印文件，控制3D打印機打印獲得了模樣和芯盒，見圖12。

3.4 砂型鑄造的槽輪鑄件

用模樣和芯盒砂型造型后獲得的鑄型以及澆注的實踐，獲得了質的飛躍[13]。過去金工實習完了就只知道造型、學了機械制造技術基礎課后也不知道如何指導實踐，如今可以理解相關知識，不僅能動手造型、還能利用課程相關理論設計工藝、用3D打印制作模樣和芯盒、通過鑄造實施分析設計方案的合理性。

圖10 測定凝固時間用試樣

圖11 凝固時間與形狀參數(shù)曲線

圖12 模樣、芯盒、鑄型及落砂后的鑄件實物圖

3.5 學生報告與答辯

學生根據(jù)各自的任務分工，首先完成各自的報告，然后由項目負責人完成整體項目設計與制作報告，報告提交后，由學生組成答辯委員會，教師也是答辯委員會成員之一，學生每個項目選一人，全班組成5～7人的答辯委員會，經(jīng)過項目自述、提問和回答問題等環(huán)節(jié)，使學生得到一次完整的學習與實踐經(jīng)歷，通過以形成性評價為主，以終結性評價為輔的評價方式，給學生進行成績評定[14]，不管得分高低，學生對自己的成績是滿意的，認為客觀地反映了自己的學習情況，取得較好的教學效果。學生反映“通過項目設計與制作，對課堂所學有了更深的理解，通過團隊協(xié)作解決一系列問題更是增強了團隊合作能力?！薄皩C械制造工藝這門課程及鑄造技術有了進一步的認識和理解。也進一步鍛煉了自己實際動手設計的能力。在實驗過程中出現(xiàn)過一些看似微不足道但到后面才發(fā)現(xiàn)嚴重的錯誤，例如在設計零件圖時由于掃略的路徑?jīng)]有設置好，導致整個圖需要推倒重來，這表明設計時思考的邏輯性和嚴密程度還不夠，仍需進一步努力。團隊的力量遠大于個人，在一開始對于本次實驗感到束手無策，但經(jīng)過大家相互探討和實踐后，問題被一一解決”?！巴ㄟ^這次實驗，逐漸學會將理論設計與實踐鑄造相結合，以結合實際為出發(fā)點，對機械制造工藝這門課程及鑄造這門技術學問有了一個更深層次的認識與理解，對今后這方面的學習及工作有很大的幫助” 。

答辯中學生對答辯委員會成員提出的問題能夠正確思考和回答，確實發(fā)現(xiàn)錯誤的也能及時改正。同時增強了學生口頭表達能力，學會了采用數(shù)據(jù)、引用典型成果和理論回答評委所提問題。很多同學自學了鑄造工藝模擬、澆冒口系統(tǒng)設計等較深的內(nèi)容。達到了促進學生自主學習和主動實踐的教學目的[15]。

4 結 語

通過理實一體化課程體系和教學內(nèi)容的構建，以及實施案例的結果分析可以得到如下結論：

(1) 將理論與實踐課程有機結合、進行整體規(guī)劃和安排有利于課程的整合和教學水平的提高[16]。

(2) 從實施案例的情況來看，實際教學安排上也是可行的。有利于拉近理論課老師與學生和實踐課老師的距離，可以推廣到其他章節(jié)的教學中。

(3) 增強理論對實踐的指導作用，使學生明確實踐的目的和在項目設計研究中的作用。

(4) 促進了學生自主學習和主動實踐，提高了學習效率、動手能力和團隊合作能力。

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