創(chuàng)新背景下的高校工程訓練鑄造工藝教學改革研究及其實踐

薛春江，徐文利

(內蒙古科技大學工程訓練中心，內蒙古包頭 014010)

當下“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”已經(jīng)成為時代鮮明的主題。順應國家號召，勇于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，是當代大學生義不容辭的責任與義務。

培養(yǎng)高素質的創(chuàng)新人才是時代對高等學校提出的迫切要求，是實施素質教育的根本目的。而高等院校的工程訓練是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、實踐能力和工程背景教育的重要載體[1～3]，在高等院校的教學中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近幾年工程訓練中心積極開展提高學生創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的教學改革研究和實踐，其中圍繞鑄造工藝開展的鋁合金熔煉、消失模鑄造等創(chuàng)新實踐教學改革取得了良好的教學效果。

1 鑄造工藝實訓教學發(fā)展歷程

鑄造工藝實踐教學一直是工科類高等院校工程訓練中心金工實習課程中的一個重要教學環(huán)節(jié)[4,5]。

2014年以前由于教學手段不多、教學設備缺乏，鑄造實踐教學主要以石蠟作為鑄造材料進行手工砂型鑄造，如圖1所示。由于缺乏金屬熔煉、鑄造的真實工程環(huán)境，學生在實踐過程中只能大致了解鑄造過程，而對于金屬熔煉工藝及操作要點的掌握則無從談起，學生的積極性、主動性也不高，與工業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)比較嚴重。

圖1 砂型鑄造的石蠟手輪

2014年工程訓練中心開始著手進行熔煉工藝的技術改造，依靠自身的技術力量和已有的加工設備完成了100kg中頻熔鋁爐的設計、加工和制造，形成了完整的金屬熔煉、鑄造實驗線。開始了利用金屬熔液進行鑄造實訓操作的教學實踐,同時增加了金屬型鑄造實踐教學方法，如圖2所示。

圖2 砂型與金屬型鋁鑄件

圖3 消失模鑄造原理示意、模樣及鑄件

針對鑄造實踐教學中存在的教學模式固化、學生參與度不高、教學效果不佳的問題，結合學校開展的創(chuàng)新實踐教學活動，工程訓練中心又在2015年初著手開始進行消失模鑄造工藝實踐教學改革。

消失模鑄造也被稱為“負壓實型鑄造”[6]，其基本原理是采用泡沫、石蠟等材料進行造型，經(jīng)刷涂耐火涂料、烘干、振動造型后，在負壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法[7]，如圖3所示。

消失模鑄造工藝技術被國內外鑄造界譽為“21世紀的鑄造技術”，最早起源于美國[8]，目前在國內外工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。而且該項技術已在國內多所本科及高職院校的金工實習課程中開展實踐教學應用[9～12]。

2015年8月工程訓練中心建成了消失模鑄造工藝實驗線，并制定了相關的教學方法，同年9月投入教學使用。形成了完善的金屬熔煉—鑄造工程實訓平臺，同時在鑄造方法上引進了先進的消失模鑄造工藝技術。投入教學以后在培養(yǎng)學生的工程意識、創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作能力、交流溝通能力等方面都取得了積極的效果。

2 鑄造工藝實訓平臺的建設

在鑄造工藝的教學改革實踐中，工程訓練中心教職工利用已有設備，在購置相關材料及標準件（泵、電機等）的基礎上獨立設計、加工制造了100kg中頻熔鋁爐及整套消失模鑄造工藝設備，形成了完整的金屬熔煉—鑄造實驗線。

2.1 熔煉—鑄造工藝流程

目前工程訓練中心鑄造工藝實踐教學采用鋁及鋁合金熔煉、砂型鑄造、金屬型鑄造和消失模鑄造等四種主要工藝技術。熔煉及鑄造的工藝流程如圖4所示。

2.2 主要工藝設備選型

根據(jù)工藝流程、使用人數(shù)、工作制度及場地情況等確定了主要工藝設備的種類和數(shù)量（見表1）。

3 鑄造工藝教學改革的特色及創(chuàng)新

經(jīng)過多年的教學實踐，工程訓練中心的教職工在實踐中改革，改革中創(chuàng)新，創(chuàng)新中積淀，圍繞鑄造工藝實踐教學開展的教學改革有如下特色。

圖4 熔煉—鑄造工藝流程圖

表1 熔煉-鑄造工藝實驗線主要設備性能及參數(shù)

3.1 鑄造工藝理論教學與實踐的有效結合及相互印證

經(jīng)過對鑄造工藝實踐教學的改革與創(chuàng)新，改善了教學方法[5]，豐富了教學手段，增加了教學設備與設施，使得鑄造工藝理論和實踐得到了很好的結合與印證。在新構建的鑄造實訓平臺上，既可以進行傳統(tǒng)的砂型鑄造的實踐教學，也可以實現(xiàn)先進的消失模鑄造工藝的操作。學生不僅可以親自參與多種鑄造工藝的實踐操作，零距離接觸到工業(yè)生產(chǎn)中的各種鑄造工藝設備，同時可以親眼見證不同鑄造工藝之間在工藝流程、操作方法、產(chǎn)品質量等方面的差別，以及同一種鑄造工藝由于工藝參數(shù)的不同對產(chǎn)品質量、性能等方面產(chǎn)生的影響，如圖5、6所示。這樣就可以很好地和理論知識加以印證，鞏固學生的專業(yè)知識。

圖5 砂型和金屬型表面質量比較

圖6 砂型和金屬型內部質量比較

3.2 創(chuàng)建真實工程實踐環(huán)境，培養(yǎng)工程應用型人才

近幾年出于安全及技術保密等原因，可供在校本科生進行校外生產(chǎn)實習的單位越來越少。學生在校期間接觸生產(chǎn)實踐的機會也相應變得越來越少，即便是去到生產(chǎn)企業(yè)也基本上是走馬觀花的參觀實習，很難達到生產(chǎn)實習的教學深度要求。

工程訓練中心立足自身力量創(chuàng)建了真實的鑄造工藝工程實踐環(huán)境，為在校學生提供了生產(chǎn)實踐機會，每一名學生都能夠進行多種鑄造工藝的實踐操作，實現(xiàn)了“做中學、學中做”的教學目的，提高了學生的實踐動手能力，彌補了目前校外生產(chǎn)實習的不足。

3.3 引進先進的消失模鑄造技術作為鑄造實訓教學的新方法

消失模鑄造技術作為“21世紀的鑄造技術”和“綠色鑄造技術”,目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。將之應用于在校本?？茖W生的實訓教學，不僅可以保持教學與工業(yè)發(fā)展的同步，縮短教學與實踐應用的差距，同時在提高實訓教學師資能力、調動學生主動性、積極性和創(chuàng)造性等方面都產(chǎn)生了積極的意義[7]。

首先，在消失模工藝實驗線的建設上一改以往成套外購的方式，依靠工程訓練中心自己的技術力量完成了消失模工藝實驗線的工藝設計、設備設計及工藝布置，并利用已有的加工設備獨立加工制造了消失模鑄造工藝的主體設備，如振動臺、真空抽吸站、電熱絲切割機及電熱鼓風干燥箱等。在整個設計和制造過程中，工程訓練中心的教職工不斷學習、探討、論證，整個師資隊伍的綜合能力得到了提高和改善。

其次，在消失模實踐教學方法和模式上也進行了創(chuàng)新研究[4]。采用分組協(xié)作的方式，將實習學生按照自由組合的方式分成若干小組。在實習過程中各小組發(fā)揮團隊優(yōu)勢，獨立設計、操作，實現(xiàn)了以學生為主體的現(xiàn)代教學模式。從實際教學效果來看，在提高學生團隊合作能力和設計技能、培養(yǎng)學生的工程意識、創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作能力、交流溝通能力等方面都收到了良好的反饋，圖7為部分學生作品。

3.4 采用多種先進制造技術，探索新型金屬材料成型工藝

圖7 學生消失模工藝作品（鋁鑄件）

在鑄造工藝實踐教學的創(chuàng)新改革中結合了數(shù)控雕刻、數(shù)控切割和3D打印等多項先進制造技術，對于形狀復雜、精度要求高的鑄件成型工藝進行了研究和創(chuàng)新。

通過計算機建模，采用數(shù)控雕刻和數(shù)控切割的方式對EPS泡沫板進行精確加工，然后進行消失模鑄造，從而得到尺寸精確、表面質量精細的金屬鑄件，如圖8所示。

圖8 數(shù)控雕刻的EPS模型及消失模鋁鑄件

工程訓練中心的教職工獨立開發(fā)研制了大規(guī)格的3D打印機，對于形狀復雜的鑄件采用3D打印的方式建立石蠟模型，利用石蠟模型進行消失模鑄造。從而探索出一種針對于形狀復雜鑄件的新型成型工藝。

4 結語

工程訓練中心在鑄造工藝實踐教學方面經(jīng)過多年、系統(tǒng)的改革和創(chuàng)新，構建了完善的鑄造工藝實訓平臺，引進了先進的消失模鑄造工藝技術，形成了具有鮮明創(chuàng)新特色的鑄造工藝實訓教學體系。同時在教學改革過程中采用了諸如數(shù)控雕刻、數(shù)控切割及3D打印等先進制造技術，實現(xiàn)了先進制造技術與傳統(tǒng)加工工藝的有機結合。

鑄造工藝實踐教學改革實施并投入教學應用以來，對在校學生素質教育方面取得了積極的效果。通過新的鑄造工藝實訓教學體系，學生獲得了生產(chǎn)實踐的鍛煉機會，接觸到了工業(yè)生產(chǎn)中的先進技術，專業(yè)理論知識得以夯實，工程實踐能力得以提高。同時更重要的是培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，為學校培養(yǎng)應用型人才目標的實現(xiàn)乃至大學生的順利就業(yè)提供了有力的支撐。

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