《鑄造工藝學(xué)》課程一體化教學(xué)的實(shí)踐

趙亞忠，朱 磊

（南陽理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南南陽 473004）

關(guān)鍵字： 鑄造工藝學(xué)；學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)一體化；教學(xué)改革

鑄造是重要的、基礎(chǔ)性的、不可替代的零件生產(chǎn)技術(shù)。我國是鑄件的生產(chǎn)和出口大國，鑄件產(chǎn)量已連續(xù)17年穩(wěn)居世界第一位，2016年產(chǎn)量多達(dá)4720萬噸。

隨著技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保的要求，與鑄造生產(chǎn)有關(guān)的工藝設(shè)計(jì)、工裝準(zhǔn)備、質(zhì)量管理等都需要高素質(zhì)鑄造專業(yè)應(yīng)用型人才，我國鑄造從業(yè)人員達(dá)200萬。我國各高校材料成型及控制工程專業(yè)（鑄造方向）為社會(huì)培養(yǎng)鑄造方面人才，滿足日益增長的鑄造技術(shù)要求，為鑄造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供人才基礎(chǔ)。

《鑄造工藝學(xué)》是材料成型及控制工程專業(yè)的一門必修課。這門課程要求學(xué)生理解鑄造基本理論，掌握鑄造工藝設(shè)計(jì)方法，完成零件的鑄造工藝設(shè)計(jì)，為將來工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了滿足快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)的工業(yè)上要求，在鑄造工藝系列課程教學(xué)過程中實(shí)踐新的教學(xué)模式和教學(xué)方法，以提高教學(xué)質(zhì)量。

1 教學(xué)中存在的主要問題

多數(shù)院校鑄造工藝設(shè)計(jì)的教學(xué)分為三個(gè)部分：①《鑄造工藝學(xué)》理論課程，講述傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法；②《鑄造工藝課程設(shè)計(jì)》，進(jìn)行零件的鑄造工藝設(shè)計(jì)；③《鑄造工藝CAE》，學(xué)習(xí)華鑄CAE、ProCAST等鑄造模擬軟件。

課程傳統(tǒng)的授課模式是：先進(jìn)行鑄造工藝學(xué)理論學(xué)習(xí)，再進(jìn)行為期2～3周的鑄造工藝設(shè)計(jì)，最后再學(xué)習(xí)鑄造工藝CAE。這樣安排具有便于管理便于考核的優(yōu)點(diǎn)，但在教學(xué)中存在如下兩點(diǎn)問題。

1） 知識(shí)內(nèi)容學(xué)習(xí)與工藝設(shè)計(jì)脫離

先學(xué)習(xí)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)，造成了學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)有所脫離。在本課程理論知識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)，通常結(jié)合課本或課件上提供的示例來練習(xí)，不是結(jié)合整個(gè)零件練習(xí)。缺乏整體性考慮，無形當(dāng)中將知識(shí)點(diǎn)與其應(yīng)用割裂。鑄造工藝設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素、綜合應(yīng)用各種知識(shí)才能完成好[1]。

2） 設(shè)計(jì)中并沒有發(fā)揮出CAE的作用

CAE只是用來學(xué)習(xí)軟件怎么用，用簡單的例子來練習(xí)，并沒有與鑄造工藝設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合。

為解決上述問題，在鑄造工藝設(shè)計(jì)系列課程教學(xué)時(shí)采用了學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)一體化教學(xué)方法。

2 鑄造工藝學(xué)學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)一體化教學(xué)安排

鑄造工藝學(xué)的教學(xué)內(nèi)容及其教學(xué)流程如圖1所示。圖1中反映了零件分析、澆冒口設(shè)計(jì)、砂芯設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)內(nèi)容，也反映了鑄造CAE中鑄件凝固缺陷模擬技術(shù)在課程教學(xué)過程中的應(yīng)用。

圖1 鑄造工藝一體化教學(xué)及設(shè)計(jì)流程圖

本課程第一節(jié)授課時(shí)，把需要進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)的零件圖發(fā)給學(xué)生。例如，我校2015級(jí)學(xué)生為48人，每6人為一組分為8組，每組進(jìn)行一個(gè)零件的鑄造工藝和工裝設(shè)計(jì)。所用的8張零件圖均來自企業(yè)。

為了與企業(yè)接軌，適應(yīng)市場(chǎng)需求，一體化課程教學(xué)過程中應(yīng)用了鑄件凝固缺陷模擬的技術(shù)，以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的能力。

在本專業(yè)教學(xué)安排時(shí)，從2014級(jí)開始在學(xué)習(xí)CAD和三維繪圖軟件U G后，安排24學(xué)時(shí)的鑄造工藝CAE課程，主要學(xué)習(xí)ProCAST軟件的應(yīng)用，然后再進(jìn)行為期3.5周的鑄造工藝一體化課程，不再分

為理論學(xué)習(xí)和課程設(shè)計(jì)兩門課程。

3 鑄造工藝學(xué)學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)一體化教學(xué)的實(shí)施

3.1 教學(xué)過程中學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)的配合

首先讓學(xué)生分析零件的材料、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量要求、使用工況，從而得到全面的零件信息。

在對(duì)本課程所有的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)時(shí)，都要求學(xué)生對(duì)照下發(fā)的零件圖，充分考慮零件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，學(xué)習(xí)和理解各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之后，再完成相關(guān)部分的鑄造工藝設(shè)計(jì)。

比如，在進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性分析時(shí)，在學(xué)習(xí)了課本上的幾個(gè)樣例后，再讓學(xué)生在零件上尋找哪些結(jié)構(gòu)不適合鑄造，哪些孔不適合鑄出，哪一部分壁太薄，這樣學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解比只參照書上的例題來學(xué)習(xí)深刻得多。

在進(jìn)行零件分型面選擇時(shí)，在零件圖紙上設(shè)計(jì)不同的分型方案，并進(jìn)行比較和分析，擇優(yōu)設(shè)計(jì)。這比單純理解分型面的幾條選擇原則復(fù)雜得多，能夠深入實(shí)際考慮零件上哪些部分不能起模。

在進(jìn)行加工余量和撥模斜度設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可以在零件上找到需要設(shè)置加工余量和撥模斜度的位置。傳統(tǒng)模式教學(xué)很難讓學(xué)生明白它們的設(shè)置位置。在進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合零件結(jié)構(gòu)和材料，來選擇澆注系統(tǒng)形式和位置；并計(jì)算各澆道截面積并布置澆道位置。

在進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)照零件進(jìn)行冒口補(bǔ)縮距離的計(jì)算，從而確定冒口間距；計(jì)算零件上每一壁的模數(shù)，從而在熱節(jié)處設(shè)置冒口，并利用熱補(bǔ)貼或冷鐵等方法維護(hù)補(bǔ)縮通道。

3.2 凝固模擬的實(shí)施與應(yīng)用

受型砂、材料、熔煉、工藝參數(shù)、模具等各種不穩(wěn)定因，傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)存在經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，科學(xué)性不充足的缺陷。設(shè)計(jì)的鑄造工藝能不能用并不完全知道。鑄造CAE中凝固及缺陷模擬技術(shù)在一定程度上解決了這一問題[2，3]。

鑄造模擬技術(shù)使鑄造工藝設(shè)計(jì)形象生動(dòng)和直觀，對(duì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)有很大的作用，也使學(xué)生能夠適應(yīng)現(xiàn)代的鑄造企業(yè)。在本課程中鑄造工藝設(shè)計(jì)后，采用ProCAST軟件進(jìn)行鑄造凝固模擬。如果模擬結(jié)果顯示有鑄造缺陷存在時(shí)，改進(jìn)設(shè)計(jì)工藝，然后重新模擬，直到模擬時(shí)沒有缺陷為止。應(yīng)用鑄件凝固模擬軟件，為學(xué)生設(shè)計(jì)提供了合理與否的標(biāo)準(zhǔn)，也使鑄造工藝設(shè)計(jì)成為帶有反饋機(jī)制的設(shè)計(jì)，大大提高了工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)一體化教學(xué)特點(diǎn)分析

一體化教學(xué)流程與傳統(tǒng)流程的區(qū)別如圖2所示。

圖2 一體化教學(xué)流程與傳統(tǒng)流程的區(qū)別

1）邊學(xué)邊練邊設(shè)計(jì)，三者有效結(jié)合學(xué)習(xí)效率高

學(xué)習(xí)任何一個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，結(jié)合PPT和書本上的例題來練習(xí)，并且在下發(fā)的零件圖上設(shè)計(jì)鑄造工藝。設(shè)計(jì)成為練習(xí)的延伸，成為知識(shí)應(yīng)用的戰(zhàn)場(chǎng)，使學(xué)生理解更透徹，也使鑄造工藝設(shè)計(jì)具有更高的效率。

2）便于知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用

在本課程學(xué)習(xí)過程中所用的PPT上和課本上的例子，由于篇幅所限，通常都是只針對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的典型例子，零件結(jié)構(gòu)盡量簡單。而實(shí)際鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，只管一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的例子用起來很不全面。

一體化設(shè)計(jì)時(shí)，由于所有的設(shè)計(jì)都在同一個(gè)零件上進(jìn)行，不用去多次熟悉零件結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。一個(gè)零件上包含了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各方面復(fù)雜因素，使學(xué)生理解得更清楚，考慮問題更全面。

3）一體化教學(xué)也是項(xiàng)目教學(xué)

每一組進(jìn)行的零件鑄造工藝工裝設(shè)計(jì)，都可視為一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。項(xiàng)目教學(xué)使學(xué)生自主思考，主動(dòng)工作，提高學(xué)習(xí)興趣。由于學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)是整體過程，完成項(xiàng)目過程中把零散的缺乏聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來，便于學(xué)生整理思路，出色地完成學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)任務(wù)[4-5]。

5 結(jié)論

本校近兩年的實(shí)踐結(jié)果表明，在鑄造工藝學(xué)教學(xué)時(shí)邊學(xué)邊練邊設(shè)計(jì)，三者有效結(jié)合有效地提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。在鑄造工藝設(shè)計(jì)后增加了凝固及缺陷模擬環(huán)節(jié)，為學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)提供合理與否的標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)帶有反饋機(jī)制，實(shí)踐表明大大提高了學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，也能夠更好地適應(yīng)鑄造企業(yè)的要求。