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        工程訓(xùn)練與機(jī)械制造基礎(chǔ)綜合課程的探索與實踐
        ——以鑄造工藝為案例

        2018-05-21 08:46:54周世權(quán)黃勝智李智勇陳文鍔
        實驗室研究與探索 2018年4期
        關(guān)鍵詞:砂型鑄件學(xué)時

        周世權(quán), 黃勝智, 趙 軼, 李智勇, 陳文鍔, 周 琴

        (華中科技大學(xué) 工程實訓(xùn)中心, 武漢 430074)

        0 引 言

        機(jī)械類機(jī)械制造基礎(chǔ)系列課程包括機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械制造實習(xí)和實驗。其歷史悠久,在1980~2000年期間,機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)時數(shù)最高達(dá)到120學(xué)時,機(jī)械制造實習(xí)(原金工實習(xí))和實驗最長達(dá)到8周,一般由金工教研室教師負(fù)責(zé)教學(xué)組織和安排,通過教師設(shè)計和參與指導(dǎo)實習(xí)和實驗將理論課與實踐課緊密結(jié)合。但2000年后,由于課程改革,很多學(xué)校的機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程被分解為材料成形技術(shù)基礎(chǔ)和機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)兩門課, 而且兩門課被分散到材料和機(jī)械兩個學(xué)院, 原金工實習(xí)拓展為工程訓(xùn)練課程獨(dú)立歸屬到工程訓(xùn)練中心, 導(dǎo)致理論與實踐嚴(yán)重脫節(jié)。上理論課的老師不知道學(xué)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(xué)者疾呼高等工程教育應(yīng)該回歸工程,但絕不是說各自單獨(dú)去搞理論和實踐教學(xué),所有的實踐教學(xué)都應(yīng)該有利于理論與實踐的緊密結(jié)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(xué)生的距離[1]。在教育部構(gòu)建實驗教學(xué)示范中心的教學(xué)質(zhì)量工程中,一門新型實踐課程工程訓(xùn)練課程快速在全國高校中建立,很多有遠(yuǎn)見的高校堅持將機(jī)械制造基礎(chǔ)理論課與工程訓(xùn)練實踐課共同歸屬于一個單位(工程訓(xùn)練中心、工程實訓(xùn)中心或工程實踐與創(chuàng)新中心),從而進(jìn)一步加強(qiáng)了理論課與實踐課的聯(lián)系,促進(jìn)了教學(xué)水平的提高和教學(xué)質(zhì)量的提高。比如哈爾濱工業(yè)大學(xué),大連理工大學(xué)等學(xué)校,通過理論課教師與實踐課老師的有機(jī)合作,通過學(xué)科發(fā)展的帶動和引領(lǐng),教學(xué)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(xué)工業(yè)中心已經(jīng)從過去的模擬工廠轉(zhuǎn)變?yōu)檠辛?xí)工廠,這也表明了理論與實踐緊密的結(jié)合是高等學(xué)校工程教育的發(fā)展方向[3]。

        國際上研究型大學(xué)沒有單獨(dú)的工程訓(xùn)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(jié)合。例如,美國麻省理工學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)所開課程中有Design and Manufacturing I &Ⅱ, 將設(shè)計與制造緊密結(jié)合,同時通過項目實踐在規(guī)定的時間和預(yù)算內(nèi),完成項目的任務(wù)。強(qiáng)調(diào)制造工藝性和功能完整性,課程主要依托通過設(shè)計和建造項目的主動學(xué)習(xí),設(shè)計、 工程和管理學(xué)科的集成和制造企業(yè)分析與設(shè)計的實踐,重點(diǎn)是制造過程和系統(tǒng)的物理和多樣性,以及他們對質(zhì)量、 速度、 成本和柔性的影響。其中一半時間學(xué)生要到實驗室進(jìn)行項目設(shè)計、制造和分析。這些世界一流大學(xué)沒有訓(xùn)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(shù)學(xué)院和應(yīng)用型大學(xué)才開設(shè)Training課程。這也說明研究型大學(xué)實踐教學(xué)的目的是為了對理論的理解和應(yīng)用,進(jìn)而提高分析問題和解決問題的能力,是通過實踐學(xué)會工程研究的方法,而不是為了培訓(xùn)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(xué)用結(jié)合;有制定模塊,講練交替的;還有給予職業(yè)發(fā)展取向,強(qiáng)化技能應(yīng)用的。總的來看還是停留在用實踐來理解工藝原理,進(jìn)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(xué)校教學(xué)質(zhì)量工程研究項目和湖北省教學(xué)研究項目的支持下,通過文獻(xiàn)研究和調(diào)研,提出了構(gòu)建“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)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(xué)生分析問題解決問題的能力的課程體系和教學(xué)內(nèi)容。

        1 理實一體化課程體系及教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

        機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程體系:以現(xiàn)代制造技術(shù)為基礎(chǔ)、以典型案例實踐與分析為先導(dǎo)、以計算機(jī)輔助工藝設(shè)計為核心、了解傳統(tǒng)工藝方法的特點(diǎn)、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(xué)內(nèi)容,將每一知識點(diǎn)的教學(xué)按照先到實習(xí)車間進(jìn)行實踐教學(xué),獲得工程實踐的感性認(rèn)識和動手能力。然后在課堂上進(jìn)行歸納,總結(jié)。同時提出問題和項目任務(wù),學(xué)生通過自學(xué)、設(shè)計、制作獲得產(chǎn)品功能;最后,再到課堂對存在的問題進(jìn)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(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程”的教學(xué)內(nèi)容為:

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

        具體教學(xué)內(nèi)容設(shè)計如表1所示。主要針對機(jī)械類專業(yè)原來“金工實習(xí)”和“機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)”兩門課合計學(xué)時為200,經(jīng)過整合實際學(xué)時為176,其中實踐內(nèi)容所占比例不能與理論教學(xué)完全分開,只能根據(jù)教學(xué)需要,有時可能要進(jìn)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(rèn)識實踐、講課、動手操作、工藝分析講課、項目任務(wù)實施與答辯。

        表1 “機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)綜合課程”的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

        2 鑄造工藝章節(jié)案例實施方案

        2.1 教學(xué)目標(biāo)

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

        2.2 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時分配

        (1) 鑄造工藝認(rèn)識實踐(6學(xué)時)。① 參觀鑄造實訓(xùn)室及工藝品鑄造實際操作(4學(xué)時)。認(rèn)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(diǎn)及應(yīng)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(xué)時)。認(rèn)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(chǔ)知識講座(4學(xué)時)。① 金屬及合金的鑄造性能(2學(xué)時)。熟悉流動性、收縮性、應(yīng)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(xué)時)。熟悉零件圖與鑄造工藝圖的異同點(diǎn),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(xué)時)。① 兩通鑄件的分模鑄造工藝過程操作演練(4學(xué)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(zhì)量檢驗、質(zhì)量改進(jìn)方案。② 其他造型方法現(xiàn)場演示教學(xué)(2學(xué)時)。整模、活塊、三箱造型方法的特點(diǎn)和造型過程。

        (4) 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計原理講座(2學(xué)時)。熟悉砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)工藝性的概念、正確設(shè)計鑄件的外形、內(nèi)腔、壁厚、圓角及壁間過度以及減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力的設(shè)計等。了解其他特種鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容。

        (5) 鑄造工藝綜合設(shè)計與制作項目(20學(xué)時)。① 3D打印軟件及硬件的操作演練(4學(xué)時)。學(xué)會FDM3D打印機(jī)的操作過程、三維設(shè)計軟件的使用和三維模型的轉(zhuǎn)換。② 分析典型鑄件砂型鑄造的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計(4學(xué)時)。能夠?qū)Φ湫丸T件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計;獲得三維工藝設(shè)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(xué)時)。將模樣三維圖和芯盒三維圖轉(zhuǎn)換為3D打印軟件格式文件,生成3D打印程序文件,進(jìn)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(xué)時)。采用3D打印獲得的模樣和芯盒、到鑄造車間完成各種設(shè)計方案的鑄造工藝過程,記錄鑄造工藝相關(guān)參數(shù)。⑤ 分析討論結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計的合理性(4學(xué)時)。從鑄件質(zhì)量、工藝操作難易程度、效率和成本等方面分析結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計的合理性,提出改進(jìn)方案。

        2.3 實施步驟與教學(xué)方法

        (1) 鑄造工藝認(rèn)識實踐。以班為單位到鑄造實訓(xùn)室,優(yōu)先由實習(xí)指導(dǎo)教師演示砂型鑄造過程,然后學(xué)生親自動手鑄造十二生肖工藝品(見圖1)。學(xué)生參觀實訓(xùn)室,記錄相關(guān)設(shè)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(chǔ)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(xué)性能間的關(guān)系,討論鑄造合金的選擇。認(rèn)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(shè)計。

        (3) 砂型鑄造工藝實踐。由實習(xí)指導(dǎo)老師安排學(xué)生鑄造兩通鑄件[10],從零件圖分析、鑄造工藝圖設(shè)計、到選擇模樣、芯盒、造型、制芯、下芯、合箱、澆注、清理和質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計原理講座。由教師講授砂型鑄造的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計,包括外形、內(nèi)腔、壁厚、壁間連接的設(shè)計原則、減小鑄造應(yīng)力的設(shè)計;其他特種鑄造方法的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計。

        (5) 鑄造工藝綜合設(shè)計與制作項目。 教師下達(dá)項目任務(wù)書(見圖3),組織學(xué)生分析典型鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與鑄造工藝間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)設(shè)計與鑄造工藝的多樣性,分組設(shè)計不同鑄件結(jié)構(gòu)和工藝方案。指出實現(xiàn)工藝方案的可能途徑(傳統(tǒng)機(jī)械加工、數(shù)控加工、特種加工、3D打印)。

        3D打印實訓(xùn)室指導(dǎo)教師組織學(xué)生學(xué)習(xí)FDM3D打印軟件和打印機(jī)的操作,學(xué)生實操3維圖形轉(zhuǎn)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(xué)生采用3D打印制作工藝設(shè)計的模樣、芯盒,并對表面進(jìn)行拋光處理。

        學(xué)生采用所獲得的模樣和芯盒進(jìn)行造型,制芯、合箱;選擇鑄造合金熔煉、澆注;落砂清理,質(zhì)量分析。相關(guān)工藝參數(shù)記錄、質(zhì)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(jié)構(gòu)工藝性,設(shè)計鑄造工藝方案,設(shè)計制作模樣和芯盒,鑄造工藝過程實施,鑄件質(zhì)量分析,成本分析和效率分析

        圖3 槽輪鑄件項目任務(wù)書

        撰寫設(shè)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(xué)效果分析

        2016年3~7月,在材料控制1404-06,工程1401-02班中進(jìn)行試點(diǎn),學(xué)生經(jīng)過有關(guān)鑄造工藝知識的學(xué)習(xí)和操作實踐,初步學(xué)會采用鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計原理和鑄造工藝設(shè)計方法完成槽輪鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計,鑄造工藝設(shè)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(shè)計。部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到充分調(diào)動,自主學(xué)習(xí)澆注系統(tǒng)和冒口的設(shè)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(xué)效果。

        3.1 學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計結(jié)果

        (1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得如圖4、5所示的兩種結(jié)構(gòu)的零件。

        (2) 針對結(jié)構(gòu)設(shè)計1的鑄造工藝設(shè)計。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計1中,中心輪轂高于輪緣,為了實現(xiàn)大批量機(jī)器造型,應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計1

        圖5 槽輪零件結(jié)構(gòu)設(shè)計2

        圖6 結(jié)構(gòu)設(shè)計1的鑄造工藝設(shè)計

        (3) 針對結(jié)構(gòu)設(shè)計2的鑄造工藝設(shè)計。由于結(jié)構(gòu)

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

        圖7 結(jié)構(gòu)設(shè)計1的芯盒設(shè)計

        圖8 結(jié)構(gòu)設(shè)計2的鑄造工藝設(shè)計

        圖9 結(jié)構(gòu)設(shè)計2的芯盒設(shè)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(shè)計冒口尺寸;同時還可以計算澆注速度,進(jìn)而可以設(shè)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(yīng)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(shè)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(shè)計,將三維圖轉(zhuǎn)換為3 D打印文件,控制3D打印機(jī)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(zhì)的飛躍[13]。過去金工實習(xí)完了就只知道造型、學(xué)了機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課后也不知道如何指導(dǎo)實踐,如今可以理解相關(guān)知識,不僅能動手造型、還能利用課程相關(guān)理論設(shè)計工藝、用3D打印制作模樣和芯盒、通過鑄造實施分析設(shè)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(xué)生報告與答辯

        學(xué)生根據(jù)各自的任務(wù)分工,首先完成各自的報告,然后由項目負(fù)責(zé)人完成整體項目設(shè)計與制作報告,報告提交后,由學(xué)生組成答辯委員會,教師也是答辯委員會成員之一,學(xué)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(xué)生得到一次完整的學(xué)習(xí)與實踐經(jīng)歷,通過以形成性評價為主,以終結(jié)性評價為輔的評價方式,給學(xué)生進(jìn)行成績評定[14],不管得分高低,學(xué)生對自己的成績是滿意的,認(rèn)為客觀地反映了自己的學(xué)習(xí)情況,取得較好的教學(xué)效果。學(xué)生反映“通過項目設(shè)計與制作,對課堂所學(xué)有了更深的理解,通過團(tuán)隊協(xié)作解決一系列問題更是增強(qiáng)了團(tuán)隊合作能力?!薄皩C(jī)械制造工藝這門課程及鑄造技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識和理解。也進(jìn)一步鍛煉了自己實際動手設(shè)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(yán)重的錯誤,例如在設(shè)計零件圖時由于掃略的路徑?jīng)]有設(shè)置好,導(dǎo)致整個圖需要推倒重來,這表明設(shè)計時思考的邏輯性和嚴(yán)密程度還不夠,仍需進(jìn)一步努力。團(tuán)隊的力量遠(yuǎn)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”。“通過這次實驗,逐漸學(xué)會將理論設(shè)計與實踐鑄造相結(jié)合,以結(jié)合實際為出發(fā)點(diǎn),對機(jī)械制造工藝這門課程及鑄造這門技術(shù)學(xué)問有了一個更深層次的認(rèn)識與理解,對今后這方面的學(xué)習(xí)及工作有很大的幫助” 。

        答辯中學(xué)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(qiáng)了學(xué)生口頭表達(dá)能力,學(xué)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(xué)自學(xué)了鑄造工藝模擬、澆冒口系統(tǒng)設(shè)計等較深的內(nèi)容。達(dá)到了促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動實踐的教學(xué)目的[15]。

        4 結(jié) 語

        通過理實一體化課程體系和教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建,以及實施案例的結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論:

        (1) 將理論與實踐課程有機(jī)結(jié)合、進(jìn)行整體規(guī)劃和安排有利于課程的整合和教學(xué)水平的提高[16]。

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

        (3) 增強(qiáng)理論對實踐的指導(dǎo)作用,使學(xué)生明確實踐的目的和在項目設(shè)計研究中的作用。

        (4) 促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動實踐,提高了學(xué)習(xí)效率、動手能力和團(tuán)隊合作能力。

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