薛春江，徐文利

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，內(nèi)蒙古包頭 014010)

當(dāng)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(yīng)國家號召，勇于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，是當(dāng)代大學(xué)生義不容辭的責(zé)任與義務(wù)。

培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才是時代對高等學(xué)校提出的迫切要求，是實施素質(zhì)教育的根本目的。而高等院校的工程訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)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(xué)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近幾年工程訓(xùn)練中心積極開展提高學(xué)生創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的教學(xué)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(xué)改革取得了良好的教學(xué)效果。

1 鑄造工藝實訓(xùn)教學(xué)發(fā)展歷程

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

2014年以前由于教學(xué)手段不多、教學(xué)設(shè)備缺乏，鑄造實踐教學(xué)主要以石蠟作為鑄造材料進(jìn)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(xué)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(xué)生的積極性、主動性也不高，與工業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)比較嚴(yán)重。

圖1 砂型鑄造的石蠟手輪

2014年工程訓(xùn)練中心開始著手進(jìn)行熔煉工藝的技術(shù)改造，依靠自身的技術(shù)力量和已有的加工設(shè)備完成了100kg中頻熔鋁爐的設(shè)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(jìn)行鑄造實訓(xùn)操作的教學(xué)實踐,同時增加了金屬型鑄造實踐教學(xué)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(xué)中存在的教學(xué)模式固化、學(xué)生參與度不高、教學(xué)效果不佳的問題，結(jié)合學(xué)校開展的創(chuàng)新實踐教學(xué)活動，工程訓(xùn)練中心又在2015年初著手開始進(jìn)行消失模鑄造工藝實踐教學(xué)改革。

消失模鑄造也被稱為“負(fù)壓實型鑄造”[6]，其基本原理是采用泡沫、石蠟等材料進(jìn)行造型，經(jīng)刷涂耐火涂料、烘干、振動造型后，在負(fù)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(shù)被國內(nèi)外鑄造界譽(yù)為“21世紀(jì)的鑄造技術(shù)”，最早起源于美國[8]，目前在國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。而且該項技術(shù)已在國內(nèi)多所本科及高職院校的金工實習(xí)課程中開展實踐教學(xué)應(yīng)用[9～12]。

2015年8月工程訓(xùn)練中心建成了消失模鑄造工藝實驗線，并制定了相關(guān)的教學(xué)方法，同年9月投入教學(xué)使用。形成了完善的金屬熔煉—鑄造工程實訓(xùn)平臺，同時在鑄造方法上引進(jìn)了先進(jìn)的消失模鑄造工藝技術(shù)。投入教學(xué)以后在培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新意識、團(tuán)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(xùn)平臺的建設(shè)

在鑄造工藝的教學(xué)改革實踐中，工程訓(xùn)練中心教職工利用已有設(shè)備，在購置相關(guān)材料及標(biāo)準(zhǔn)件（泵、電機(jī)等）的基礎(chǔ)上獨立設(shè)計、加工制造了100kg中頻熔鋁爐及整套消失模鑄造工藝設(shè)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(xùn)練中心鑄造工藝實踐教學(xué)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(shù)。熔煉及鑄造的工藝流程如圖4所示。

2.2 主要工藝設(shè)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(shè)備的種類和數(shù)量（見表1）。

3 鑄造工藝教學(xué)改革的特色及創(chuàng)新

經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，工程訓(xùn)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(xué)開展的教學(xué)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(shè)備性能及參數(shù)

3.1 鑄造工藝?yán)碚摻虒W(xué)與實踐的有效結(jié)合及相互印證

經(jīng)過對鑄造工藝實踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新，改善了教學(xué)方法[5]，豐富了教學(xué)手段，增加了教學(xué)設(shè)備與設(shè)施，使得鑄造工藝?yán)碚摵蛯嵺`得到了很好的結(jié)合與印證。在新構(gòu)建的鑄造實訓(xùn)平臺上，既可以進(jìn)行傳統(tǒng)的砂型鑄造的實踐教學(xué)，也可以實現(xiàn)先進(jìn)的消失模鑄造工藝的操作。學(xué)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(shè)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(zhì)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(zhì)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(xué)生的專業(yè)知識。

圖5 砂型和金屬型表面質(zhì)量比較

圖6 砂型和金屬型內(nèi)部質(zhì)量比較

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

近幾年出于安全及技術(shù)保密等原因，可供在校本科生進(jìn)行校外生產(chǎn)實習(xí)的單位越來越少。學(xué)生在校期間接觸生產(chǎn)實踐的機(jī)會也相應(yīng)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(xí)，很難達(dá)到生產(chǎn)實習(xí)的教學(xué)深度要求。

工程訓(xùn)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(xué)生提供了生產(chǎn)實踐機(jī)會，每一名學(xué)生都能夠進(jìn)行多種鑄造工藝的實踐操作，實現(xiàn)了“做中學(xué)、學(xué)中做”的教學(xué)目的，提高了學(xué)生的實踐動手能力，彌補(bǔ)了目前校外生產(chǎn)實習(xí)的不足。

3.3 引進(jìn)先進(jìn)的消失模鑄造技術(shù)作為鑄造實訓(xùn)教學(xué)的新方法

消失模鑄造技術(shù)作為“21世紀(jì)的鑄造技術(shù)”和“綠色鑄造技術(shù)”,目前在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。將之應(yīng)用于在校本?？茖W(xué)生的實訓(xùn)教學(xué)，不僅可以保持教學(xué)與工業(yè)發(fā)展的同步，縮短教學(xué)與實踐應(yīng)用的差距，同時在提高實訓(xùn)教學(xué)師資能力、調(diào)動學(xué)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(shè)上一改以往成套外購的方式，依靠工程訓(xùn)練中心自己的技術(shù)力量完成了消失模工藝實驗線的工藝設(shè)計、設(shè)備設(shè)計及工藝布置，并利用已有的加工設(shè)備獨立加工制造了消失模鑄造工藝的主體設(shè)備，如振動臺、真空抽吸站、電熱絲切割機(jī)及電熱鼓風(fēng)干燥箱等。在整個設(shè)計和制造過程中，工程訓(xùn)練中心的教職工不斷學(xué)習(xí)、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(xué)方法和模式上也進(jìn)行了創(chuàng)新研究[4]。采用分組協(xié)作的方式，將實習(xí)學(xué)生按照自由組合的方式分成若干小組。在實習(xí)過程中各小組發(fā)揮團(tuán)隊優(yōu)勢，獨立設(shè)計、操作，實現(xiàn)了以學(xué)生為主體的現(xiàn)代教學(xué)模式。從實際教學(xué)效果來看，在提高學(xué)生團(tuán)隊合作能力和設(shè)計技能、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、創(chuàng)新意識、團(tuán)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(xué)生作品。

3.4 采用多種先進(jìn)制造技術(shù)，探索新型金屬材料成型工藝

圖7 學(xué)生消失模工藝作品（鋁鑄件）

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

通過計算機(jī)建模，采用數(shù)控雕刻和數(shù)控切割的方式對EPS泡沫板進(jìn)行精確加工，然后進(jìn)行消失模鑄造，從而得到尺寸精確、表面質(zhì)量精細(xì)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(xùn)練中心的教職工獨立開發(fā)研制了大規(guī)格的3D打印機(jī)，對于形狀復(fù)雜的鑄件采用3D打印的方式建立石蠟?zāi)Ｐ?，利用石蠟?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行消失模鑄造。從而探索出一種針對于形狀復(fù)雜鑄件的新型成型工藝。

4 結(jié)語

工程訓(xùn)練中心在鑄造工藝實踐教學(xué)方面經(jīng)過多年、系統(tǒng)的改革和創(chuàng)新，構(gòu)建了完善的鑄造工藝實訓(xùn)平臺，引進(jìn)了先進(jìn)的消失模鑄造工藝技術(shù)，形成了具有鮮明創(chuàng)新特色的鑄造工藝實訓(xùn)教學(xué)體系。同時在教學(xué)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(jìn)制造技術(shù)，實現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù)與傳統(tǒng)加工工藝的有機(jī)結(jié)合。

鑄造工藝實踐教學(xué)改革實施并投入教學(xué)應(yīng)用以來，對在校學(xué)生素質(zhì)教育方面取得了積極的效果。通過新的鑄造工藝實訓(xùn)教學(xué)體系，學(xué)生獲得了生產(chǎn)實踐的鍛煉機(jī)會，接觸到了工業(yè)生產(chǎn)中的先進(jìn)技術(shù)，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(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，為學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才目標(biāo)的實現(xiàn)乃至大學(xué)生的順利就業(yè)提供了有力的支撐。

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