朱福先，盧雅琳，周金宇，左健民

(江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

自1998年教育部在全國(guó)高校進(jìn)行學(xué)科與專(zhuān)業(yè)大調(diào)整以來(lái)，工科院?；径荚O(shè)立了材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)。該專(zhuān)業(yè)研究材料成形加工理論、工藝、設(shè)備及控制等，探索材料成型時(shí)的力學(xué)行為、微觀組織、結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)材料性能的影響，探索材料成型后的形狀與質(zhì)量控制等。材料成型行業(yè)作為金屬和非金屬材料生產(chǎn)制造業(yè)的服務(wù)終端，為下游各行各業(yè)提供大量原材料和零部件成品。隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展，新材料和新工藝不斷涌現(xiàn)，材料成型及控制技術(shù)將環(huán)境友好、節(jié)能減排的綠色制造作為發(fā)展目標(biāo)，向著高精度、自動(dòng)化、集成化和智能化的方向發(fā)展。

我校以培養(yǎng)工程技術(shù)應(yīng)用型或職業(yè)應(yīng)用復(fù)合型人才為主，使學(xué)生掌握材料成型方法、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、模具設(shè)計(jì)與制造的基本理論、工藝及設(shè)備等相關(guān)技術(shù)，能在該領(lǐng)域從事材料成型工藝與模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、經(jīng)營(yíng)銷(xiāo)售、技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用等工作的應(yīng)用型專(zhuān)門(mén)人才。為此，必須引進(jìn)先進(jìn)的成型方法與設(shè)備，讓學(xué)生及時(shí)掌握最新的成型工藝，跟上企業(yè)快速發(fā)展的技術(shù)步伐，滿足材料成型技術(shù)日益發(fā)展的需求。在教學(xué)中，我們從機(jī)械科學(xué)研究總院引進(jìn)了先進(jìn)的無(wú)模鑄造成形設(shè)備和工藝，使學(xué)生掌握了從鑄型設(shè)計(jì)、加工到鑄件澆注整個(gè)過(guò)程的工藝和方法，在實(shí)踐訓(xùn)練中加深了學(xué)生對(duì)鑄造工藝課程知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 無(wú)模鑄造成形技術(shù)

金屬件無(wú)?；艹尚渭夹g(shù)是集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體，應(yīng)用于表面形狀特別復(fù)雜而精度要求相當(dāng)高的工件的加工，具有高技術(shù)、高效率、高效益等特點(diǎn)，是目前成形技術(shù)領(lǐng)域的“制高點(diǎn)”。該技術(shù)主要是在CAD模型驅(qū)動(dòng)下，直接采用數(shù)控機(jī)床加工出砂型，獲得澆注的鑄型，避免了使用傳統(tǒng)的鑄造工藝來(lái)的弊端。

傳統(tǒng)的大型模具制作工藝是由木模制造隨形壁厚的模具母模，然后翻砂制造出模具毛坯，再通過(guò)修模獲得最終使用的模具。該方法存在尺寸精度差、制造周期長(zhǎng)，復(fù)雜型面、凹腔制造困難等問(wèn)題。比如汽車(chē)上的一些復(fù)雜金屬零件，往往需要數(shù)副甚至數(shù)十副模具才能成形，價(jià)值達(dá)幾十萬(wàn)元以上，制作周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)月至一年。與傳統(tǒng)的有模鑄造方式相比，無(wú)模鑄造成形技術(shù)不僅制造速度快，而且精度高。由于在封閉環(huán)境中加工，成形過(guò)程中的廢棄物如粉塵、廢氣、廢渣等可得到回收，是對(duì)傳統(tǒng)鑄造工業(yè)的重大變革，其工藝對(duì)比如圖1所示。根據(jù)無(wú)模鑄造工藝的特點(diǎn)，該技術(shù)適用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和小批量生產(chǎn)，同時(shí)也適用于高等院校開(kāi)展工藝試驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)、科研等。

圖1 傳統(tǒng)有模鑄造與無(wú)模鑄造工藝對(duì)比

2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)實(shí)踐

利用無(wú)模鑄造成形技術(shù)的快速和短流程性，在材料成形與控制工程專(zhuān)業(yè)的課程教學(xué)中開(kāi)展了相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐實(shí)訓(xùn)和科技創(chuàng)新等。

2.1 開(kāi)展鑄造成形工藝綜合實(shí)驗(yàn)

鑄造成形工藝課程是材控專(zhuān)業(yè)的主干課程，同時(shí)也是一門(mén)理論性與實(shí)踐性兼?zhèn)涞恼n程。在傳統(tǒng)教學(xué)中，主要采用“教師講，學(xué)生聽(tīng)，教師寫(xiě)，學(xué)生抄”的滿堂灌的教學(xué)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)是被動(dòng)的，不能在實(shí)踐中理解課程的知識(shí)要點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)新想法。為此，在課程教學(xué)完成后，針對(duì)課程內(nèi)容開(kāi)展基于無(wú)模鑄造成形技術(shù)的鑄造成形工藝綜合實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)典型鑄件的澆注系統(tǒng)、冒口、氣孔、冷鐵等，并通過(guò)無(wú)模鑄造成形機(jī)加工出砂型，澆鑄出鑄件，圖2為實(shí)驗(yàn)鑄件。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以分析不同鑄造工藝對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，進(jìn)一步優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)、理解了鑄造成形過(guò)程，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)開(kāi)展創(chuàng)新應(yīng)用的能力。

圖2 實(shí)驗(yàn)鑄件

2.2 開(kāi)展鑄造成形認(rèn)知實(shí)習(xí)

金屬零部件的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要包括:鑄造工藝設(shè)計(jì)、鑄型制作、澆注、清砂、熱處理、機(jī)加工、表面處理等。以往的做法一般采取帶領(lǐng)學(xué)生去企業(yè)參觀的認(rèn)知方式，該方式不能展示同一零件在生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的狀態(tài)，學(xué)生走馬觀花，收效甚微。為此借助無(wú)模成形工藝，以常見(jiàn)金屬零件的鑄造成形過(guò)程為例，在實(shí)驗(yàn)室里演示同一零件由鑄造工藝設(shè)計(jì)到鑄件熱處理的全過(guò)程，全面直觀地給學(xué)生展示企業(yè)車(chē)間內(nèi)零件生產(chǎn)的全過(guò)程。通過(guò)展示和實(shí)習(xí)，學(xué)生理解了復(fù)雜金屬件的成形過(guò)程，認(rèn)識(shí)了一個(gè)零件在企業(yè)車(chē)間中各過(guò)程的狀態(tài)、生產(chǎn)方式和流通過(guò)程，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，提高了認(rèn)知效果。

2.3 指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)過(guò)程最后階段采用的一種總結(jié)性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，能使學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的各種理論知識(shí)和技能，進(jìn)行全面、系統(tǒng)、嚴(yán)格的技術(shù)及基本能力的練習(xí)，是學(xué)生走上工作崗位的最為重要的一次系統(tǒng)性的訓(xùn)練。在材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生中已連續(xù)兩年開(kāi)展了關(guān)于無(wú)模鑄造成形技術(shù)方面的畢業(yè)設(shè)計(jì)。主要是針對(duì)某一機(jī)械零件，要求學(xué)生對(duì)其進(jìn)行綜合分析和鑄造工藝設(shè)計(jì)，最后加工出鑄型，澆鑄出鑄件，這些零件主要有:變速箱底座、軸承座、泵蓋、支架、閥體等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要求學(xué)生先分析零件的材料和結(jié)構(gòu)，再基于無(wú)模鑄造成形技術(shù)，設(shè)計(jì)其分型面、澆注系統(tǒng)、冒口、氣孔等，作出鑄型圖和鑄件圖，基于CAM技術(shù)生成加工路徑，在無(wú)模鑄造成形機(jī)上加工出砂型，最后利用中頻熔煉爐澆鑄出鑄件，圖3為學(xué)生設(shè)計(jì)的減速箱底座鑄型圖。這些畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生綜合運(yùn)用了鑄造工藝及模具設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、材料成型CAD/CAM/CAE及工程軟件、先進(jìn)成形與快速制模技術(shù)、數(shù)控加工等課程知識(shí)，以澆鑄出合格的鑄件實(shí)物為目標(biāo)，鍛煉了學(xué)生產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工實(shí)踐、制造流程管理的能力，同時(shí)避免了純理論研究與模擬等乏味的內(nèi)容，提高了學(xué)生參與的積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

圖3 減速箱底座鑄型

2.4 指導(dǎo)大學(xué)生科技創(chuàng)新

在當(dāng)代，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，新的發(fā)明、新的技術(shù)、新的材料、新的工藝層出不窮，社會(huì)在科技的帶動(dòng)下飛速發(fā)展，而創(chuàng)新又使這個(gè)速度不斷加速。毫無(wú)疑問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生成為科技創(chuàng)新的推動(dòng)者是大學(xué)創(chuàng)新教育的使命。無(wú)模鑄造成形技術(shù)為我校材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)創(chuàng)建了一個(gè)平臺(tái)。首先，該技術(shù)研究得到了國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)和中日國(guó)際合作等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的支持，在項(xiàng)目的開(kāi)展過(guò)程中，邀請(qǐng)了一批高年級(jí)本科生和碩士研究生參與了這些項(xiàng)目的研究，包括:薄壁砂型加工工藝研究、深腔砂型加工工藝研究、消失模加工工藝研究、無(wú)模鑄造成形機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等。其次，在研究中根據(jù)研究目標(biāo)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，提出新的實(shí)驗(yàn)方案，并通過(guò)相應(yīng)設(shè)備檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果，提升了他們參與科研和開(kāi)展研究的能力。其中四名本科生將無(wú)模鑄造技術(shù)同真空熔鑄一體化技術(shù)相結(jié)合，申報(bào)的“復(fù)雜金屬件無(wú)模鑄造成形工藝研究”項(xiàng)目獲批江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。

3 結(jié)語(yǔ)

材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)涉及面廣，新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)使得專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的手段趨于多樣化。將無(wú)模鑄造成形技術(shù)應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)，豐富了我校材控專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，提高了相關(guān)實(shí)踐教學(xué)的效果，提升了學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

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