熔模精密鑄造在機(jī)械工程訓(xùn)練中的實(shí)踐探索

夏夢(mèng)茜

（桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004）

工程訓(xùn)練是工程教育環(huán)節(jié)中重要的實(shí)踐課程，是一門(mén)以實(shí)操為主的實(shí)踐性課程。該課程通過(guò)實(shí)踐與理論相結(jié)合的方式，提高大學(xué)生對(duì)工程的認(rèn)知和動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的全面素質(zhì)，培養(yǎng)具有實(shí)踐、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)和就業(yè)能力的高素質(zhì)工程人才。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，相關(guān)部門(mén)對(duì)工程訓(xùn)練的要求也不斷提高，并給予了相關(guān)的政策支持。例如：2010年6月，教育部啟動(dòng)實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”[1]，旨在培養(yǎng)出一大批創(chuàng)新性強(qiáng)、工程能力強(qiáng)、能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才[2]；2015年4月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新教育改革的實(shí)施意見(jiàn)》[3]，指出深化高等學(xué)校創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新教育改革對(duì)于國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、教育綜合改革以及大學(xué)生創(chuàng)業(yè)的意義[4]；2018年教育部提出我國(guó)在新形勢(shì)下工科建設(shè)的改革方向，以及培養(yǎng)高工程素人才對(duì)于國(guó)家發(fā)展的意義，同時(shí)指出高校在傳統(tǒng)的工科專業(yè)建設(shè)上需要進(jìn)行升級(jí)改造，以更好的模式實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的教學(xué)[5]。這些政策表明了機(jī)械工程訓(xùn)練課程作為實(shí)踐課程的重要性。

高等工程教育作為培養(yǎng)工程人才的基礎(chǔ)，其主要目的就是培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。機(jī)械工程訓(xùn)練是學(xué)生了解機(jī)械加工設(shè)備、學(xué)習(xí)機(jī)械制造工藝知識(shí)、熟悉加工手段、培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、提高工程素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和提高綜合實(shí)踐能力的教育課程。在時(shí)代的發(fā)展的新要求下，工程訓(xùn)練必須不斷提高課程質(zhì)量，才能培養(yǎng)出具有工程意識(shí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的學(xué)生。

1 鑄造實(shí)訓(xùn)改革的依據(jù)

1.1 機(jī)械工程訓(xùn)練的現(xiàn)狀與問(wèn)題

傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練針對(duì)的是機(jī)械專業(yè)的學(xué)生，后來(lái)逐漸擴(kuò)大到理工科專業(yè)以及所有在校大學(xué)生。傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練即為原來(lái)的金工教學(xué)，其課程內(nèi)容是制造業(yè)最基本的車、鉗、銑、刨和磨等機(jī)械加工的基本過(guò)程，使學(xué)生通過(guò)工程實(shí)踐了解機(jī)床的基本操作，提高學(xué)生對(duì)專業(yè)課的感性認(rèn)識(shí)。這種傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練模式對(duì)我國(guó)技術(shù)人才的培養(yǎng)起到了重要的作用，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練已經(jīng)不能適應(yīng)科技發(fā)展對(duì)人才的需求，因此必須不斷深化工程訓(xùn)練改革。

目前，大多的工程訓(xùn)練都存在一些問(wèn)題，如學(xué)習(xí)內(nèi)容陳舊、缺乏新的教學(xué)方式、不利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、教學(xué)手段落后、設(shè)備陳舊、教師的教學(xué)興趣不高、學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高、各個(gè)工序只以基礎(chǔ)操作教學(xué)為主、各個(gè)工種的工藝關(guān)聯(lián)性差以及學(xué)生的整體工程意識(shí)得不到提高等。

1.2 鑄造實(shí)訓(xùn)的現(xiàn)狀與問(wèn)題

1.2.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊

鑄造在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是機(jī)械工程訓(xùn)練中的傳統(tǒng)工種。目前，大多高校的鑄造實(shí)訓(xùn)課程通常采用砂型鑄造，學(xué)生不能自主選擇鑄造模樣，無(wú)法進(jìn)行多樣化和個(gè)性化的訓(xùn)練，且最后沒(méi)有進(jìn)行澆鑄，鑄造出的鑄件性能也不穩(wěn)定。甚至一些鑄造實(shí)訓(xùn)僅以教師演示為主，學(xué)生無(wú)法實(shí)操。這些問(wèn)題導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，無(wú)法達(dá)到實(shí)訓(xùn)效果，且不利于學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2.2 對(duì)實(shí)訓(xùn)環(huán)境和管理的要求較高

砂型鑄造對(duì)實(shí)訓(xùn)環(huán)境和管理有一定的要求，不便于教學(xué)的實(shí)施和管理，這些問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響學(xué)生工程實(shí)訓(xùn)的效率。因此，需要對(duì)鑄造課程進(jìn)行改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生將鑄造的基本理論與實(shí)際加工生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，以提高學(xué)生自身的動(dòng)手能力，鞏固和充實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)和專業(yè)理論知識(shí)。在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，要讓學(xué)生通過(guò)自主鑄造加工出自己想要的物品，以充分提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，從而開(kāi)闊學(xué)生的視野、培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

鑄造課程改革對(duì)提高學(xué)生的工程意識(shí)和綜合能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的人才，以及滿足社會(huì)對(duì)人才的需求具有重大意義?；谀壳皺C(jī)械工程訓(xùn)練的鑄造實(shí)訓(xùn)中存在的問(wèn)題，為了進(jìn)一步豐富學(xué)生機(jī)械工程訓(xùn)練的內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)訓(xùn)的效果，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，進(jìn)一步探討鑄造課程的建設(shè)非常必要。

2 鑄造實(shí)訓(xùn)的改革

2.1 熔模精密鑄造實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

為了豐富工程實(shí)踐的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和素質(zhì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性?；趥鹘y(tǒng)鑄造實(shí)訓(xùn)中存在的問(wèn)題，使學(xué)生能夠在規(guī)定的實(shí)踐時(shí)間內(nèi)達(dá)到良好的實(shí)訓(xùn)效果，本文提出將熔模精密鑄造引入鑄造實(shí)訓(xùn)課程中的實(shí)訓(xùn)課程，以石蠟鑄造為例介紹其基本內(nèi)容，加工流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 熔模精密鑄造流程簡(jiǎn)圖

單件小批量生產(chǎn)的具體加工過(guò)程為：先通過(guò)3D打印獲得石蠟?zāi)?，然后用石膏粉加水充分混合獲得石膏溶液，再將石膏溶液倒入裝有石蠟?zāi)５匿撯徶徐o置，將靜置成型的石膏放在電爐中，通過(guò)升溫保溫靜置，制備石膏模，之后將金屬熔化，注入到石膏模中，在鑄造機(jī)中的鑄件成型后，夾出鋼鈴置入水中，獲得鑄件，待鑄件溫度降低后，取出鑄件對(duì)鑄件進(jìn)行后處理，處理完成后即可得到成品。學(xué)生通過(guò)此方式進(jìn)行鑄造加工獲得的鑄件，如圖2所示。

圖2 鑄件示例圖

若想要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)，在獲得3D打印石蠟?zāi)：?，可以先通過(guò)制作膠模，然后向其中注入石蠟的方式獲得多個(gè)蠟?zāi)?，再將蠟?zāi)７N在蠟樹(shù)上以獲得蠟樹(shù)成品模型，如圖3所示，再以此為模具進(jìn)行成品鑄件澆鑄，最后獲得成品鑄件，重復(fù)此操作即可獲得多顆蠟樹(shù)。圖4為獲得的成品鑄件示例。

圖3 蠟樹(shù)示例圖

圖4 鑄件示例圖

2.2 熔模精密鑄造實(shí)訓(xùn)的意義

2.2.1 為學(xué)生提供個(gè)性化、層次化的課程內(nèi)容

工程訓(xùn)練課程不僅針對(duì)機(jī)械專業(yè)，還涉及許多其他理科甚至文科專業(yè)。不同的專業(yè)在思維模式和實(shí)訓(xùn)認(rèn)知上存在差異。如圖5所示，熔模精密鑄造的課程內(nèi)容提供兩種模式：第一種是從無(wú)到有，即通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)出圖形，利用3D打印設(shè)備打印出石蠟?zāi)Ｐ?，然后通過(guò)熔模鑄造得到最后的成品；第二種是從有到有的逆向工程思維模式，即學(xué)生用已經(jīng)存在的物品通過(guò)三維掃描進(jìn)行建模，通過(guò)得到的模型制作出膠膜，再鑄造加工加工出外形相同的金屬鑄件。兩種不同的課程模式供學(xué)生選擇，能夠滿足不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)生不同的設(shè)計(jì)思維，從而體現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化和學(xué)習(xí)內(nèi)容的層次化。

圖5 課程模式設(shè)置圖

2.2.2 更新教學(xué)理念，提高學(xué)生的積極性

大部分機(jī)械專業(yè)以外的學(xué)生對(duì)工程訓(xùn)練的認(rèn)知只限于機(jī)械專業(yè)知識(shí)的實(shí)習(xí)，機(jī)械專業(yè)的學(xué)生則認(rèn)為實(shí)訓(xùn)內(nèi)容基礎(chǔ)、單一、陳舊。同時(shí)，傳統(tǒng)的鑄造實(shí)訓(xùn)也的確存在內(nèi)容單一、設(shè)備陳舊的問(wèn)題，因此包括機(jī)械專業(yè)在內(nèi)的學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)的積極性都不高。

熔模精密鑄造不再局限于傳統(tǒng)的機(jī)械零件的加工制造，同時(shí)還把重點(diǎn)放在了充滿個(gè)性化金屬飾品的加工方面。學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)通過(guò)自主設(shè)計(jì)，能夠加工出自己想要的物品，使學(xué)生主動(dòng)的要求學(xué)習(xí)而不是教師灌輸式教學(xué)。通過(guò)這種學(xué)習(xí)方法，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性。

2.2.3 用充實(shí)的教學(xué)內(nèi)容，充分提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)

傳統(tǒng)的鑄造實(shí)訓(xùn)與其他工種工藝關(guān)聯(lián)性差，這也是很多工程訓(xùn)練課程存在的問(wèn)題之一。這往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)訓(xùn)后只是掌握了各個(gè)工種的基本操作，但認(rèn)識(shí)不到實(shí)訓(xùn)課程的系統(tǒng)性，無(wú)法真正培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

熔模鑄造結(jié)合3D打印和三維掃描等現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)，使學(xué)生可以自主加工出一個(gè)完整的鑄件。同時(shí)，鑄造所用的模具也可以通過(guò)沖壓、數(shù)控銑等工藝加工出來(lái)，從而增大了工程訓(xùn)練各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生對(duì)鑄造課程以及整個(gè)工程訓(xùn)練的認(rèn)識(shí)更加深刻，而且鑄造實(shí)訓(xùn)結(jié)束后加工出的成品也具有收藏意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。另外，學(xué)生對(duì)整個(gè)加工生產(chǎn)流程有一定的了解，能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)學(xué)生畢業(yè)后的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)也有一定的促進(jìn)作用。

2.2.4 便于實(shí)訓(xùn)課程的管理和建設(shè)

機(jī)械工程實(shí)訓(xùn)每個(gè)工種的課時(shí)是有限的，利用先進(jìn)的熔模精密鑄造設(shè)備，可以在規(guī)定的鑄造實(shí)訓(xùn)時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生輕松的完成整個(gè)鑄造流程，有利于課程內(nèi)容的建設(shè)。如桂林電子科技大學(xué)“機(jī)械制造工程訓(xùn)練中心”的鑄造實(shí)訓(xùn)采用了新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝，減少了各工藝階段的操作時(shí)間。其各工藝階段采用的設(shè)備及特點(diǎn)分別為：采用光敏石蠟材料，能夠快速打印出高精度的石蠟?zāi)Ｐ?；雙溫控?cái)?shù)顯壓膜機(jī)操作簡(jiǎn)單；數(shù)字真空注蠟機(jī)（如圖6所示）能夠快速的完成注蠟；真空自動(dòng)攪粉機(jī)（如圖7所示）在真空下能夠使石膏粉和水混合均勻；電爐采用微電腦雙層旋轉(zhuǎn)型，含有多層溫度設(shè)置，能夠很好地制備出石膏模；微電腦全自動(dòng)真空加壓震動(dòng)鑄造機(jī)（如圖8所示）能夠精確地確定金屬熔化溫度，并采用真空減少金屬的氧化，操作界面簡(jiǎn)單。熔模鑄造采用全新的先進(jìn)設(shè)備，體積相對(duì)較小，操作簡(jiǎn)單方便，便于存放和管理，并且整個(gè)鑄造環(huán)節(jié)對(duì)于環(huán)境污染相對(duì)較低，有利于課程的開(kāi)展和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理。

圖6 數(shù)字真空注蠟機(jī)

圖7 真空自動(dòng)攪粉機(jī)圖

圖8 微電腦全自動(dòng)真空加壓震動(dòng)鑄造機(jī)圖

3 總結(jié)

本文針對(duì)目前機(jī)械工程訓(xùn)練中的鑄造實(shí)訓(xùn)改革了傳統(tǒng)的鑄造實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，將熔模精密鑄造用于實(shí)訓(xùn)中，以豐富課程內(nèi)容，使學(xué)生能夠用個(gè)性化的設(shè)計(jì)和鑄造的方法加工出自己喜歡的物品。通過(guò)這種方式使學(xué)生完成鑄造加工流程，能夠增加學(xué)習(xí)的自主性和積極性，提高學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。