王武孝 秦少勇 張忠明 鄒軍濤 葛利玲 張賽飛

(西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，鑄造技術(shù)已廣泛應(yīng)用在汽車、船舶制造，航空航天、能源開發(fā)等諸多領(lǐng)域[1-3]，通過鑄造成型的零部件被應(yīng)用在各類機(jī)器設(shè)備中，然而在鑄件凝固過程中，會(huì)經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮三個(gè)階段，若在凝固過程中收縮受到阻礙，就會(huì)產(chǎn)生鑄造應(yīng)力[4-5]。應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量，可以使鑄件產(chǎn)生熱裂、冷裂、撓曲變形，影響鑄件尺寸精度，甚至使鑄件報(bào)廢，影響鑄件的成品率[6-7]。通過鑄造應(yīng)力測試可判斷出應(yīng)力產(chǎn)生的時(shí)間及變化的過程，從而幫助鑄造工程師分析應(yīng)力產(chǎn)生的原因，最終提出減少或消除應(yīng)力的方案，提高鑄件成品率，降低生產(chǎn)成本。因此開展該項(xiàng)工作具有十分重要的意義，尤其在高校開展鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，既可以使學(xué)生對應(yīng)力產(chǎn)生的過程有一個(gè)定量的認(rèn)識，同時(shí)可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，為培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才奠定良好的基礎(chǔ)。

一、傳統(tǒng)鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的反思

鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)包括型砂準(zhǔn)備、造型、澆注、應(yīng)力測試等環(huán)節(jié)，其中應(yīng)力測試的方法主要采用的是傳統(tǒng)的機(jī)械測定法[8-9]。該法通常是要先澆注一個(gè)應(yīng)力框，如圖1所示。將澆注好的應(yīng)力框試樣用一定方法進(jìn)行分割，此時(shí)殘余應(yīng)力被釋放，鑄件會(huì)發(fā)生變形，通過測定變形量，再應(yīng)用彈性力學(xué)相關(guān)公式來計(jì)算殘余應(yīng)力，這種方法雖然簡單便捷，但只能測定靜態(tài)情況下的應(yīng)力狀況，并不知道應(yīng)力何時(shí)產(chǎn)生，無法反映鑄造應(yīng)力產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)過程，這就使得應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)存在很大的局限性。

受實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的限制，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)和幫助下完成，無法發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的積極性不高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是千篇一律，甚至與實(shí)際不符，這也就難以滿足當(dāng)前工程教育專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生的要求。因此開展鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革意義重大。

二、鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

為了全面提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，在借鑒了一些高校實(shí)踐教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)后[10-11]，按照以學(xué)生為中心，以貼近工程應(yīng)用為前提的思路，對鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一些改革探索。

(一)研制智能鑄造動(dòng)態(tài)應(yīng)力儀

性能優(yōu)異的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，國內(nèi)目前沒有定型的應(yīng)力測試儀器，因此在應(yīng)力框(如圖1(a)所示)的原理基礎(chǔ)上，通過精心構(gòu)思和反復(fù)試驗(yàn)，成功自制出了智能濕砂型鑄造動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試儀，其測試結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 幾種常見的應(yīng)力框

該設(shè)備主要由鑄型、應(yīng)力框、測力傳感器，數(shù)據(jù)采集記錄儀等組成，橫梁上連接三根測桿測頭，測桿上安裝測力傳感器組成E字形結(jié)構(gòu)，由鑄造模板、專用砂箱造型完成的鑄型組成反E字形，通過測頭螺釘把E字形與反E字型連接起來，鑄型型腔中桿所在位置裝上測溫?zé)犭娕?，?dāng)液態(tài)金屬充滿鑄型后將構(gòu)成剛性應(yīng)力框，應(yīng)力框中間桿粗，兩側(cè)桿細(xì)，因此應(yīng)力框冷卻過程中就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力[12-13]，此時(shí)三桿上測力傳感器分別會(huì)向智能記錄顯示單元輸出電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送入智能單元的微處理器進(jìn)行分析處理、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、顯示記錄曲線，完成應(yīng)力測試。利用自制的設(shè)備測試了ZL102合金的鑄造應(yīng)力，測試結(jié)果如圖3所示，實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)備測試結(jié)果與應(yīng)力產(chǎn)生分析完全吻合，數(shù)據(jù)重復(fù)率及精確性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖2 合金鑄造動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試儀結(jié)構(gòu)圖

圖3 ZL102合金凝固冷卻曲線及鑄造應(yīng)力曲線

智能鑄造應(yīng)力儀的設(shè)計(jì)成功，改變了傳統(tǒng)的應(yīng)力測試方法，可自動(dòng)測量動(dòng)態(tài)應(yīng)力，并具有記錄、存儲(chǔ)功能，可將鑄造應(yīng)力產(chǎn)生的瞬間，變化趨勢準(zhǔn)確地用曲線記錄并存儲(chǔ)下來，數(shù)據(jù)更加具備科學(xué)性。既能滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也能為科研及實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)服務(wù)，為培養(yǎng)滿足工程應(yīng)用的人才創(chuàng)造了條件。

(二)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程

隨著智能鑄造應(yīng)力儀在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中被學(xué)生使用，同時(shí)配合工程認(rèn)證的要求，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和配套設(shè)施得到了極大的改善，為了發(fā)揮“以學(xué)生為中心”的工程認(rèn)證理念，我們將實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，圖4所示為改進(jìn)優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)流程，改變了以前先澆注應(yīng)力框，再進(jìn)行切割、測量計(jì)算的實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)現(xiàn)了人工濕砂型造型、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)果傳輸為一體的作業(yè)方式，使得傳統(tǒng)工藝向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向升級，從而極大程度上激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，從型砂準(zhǔn)備、造型協(xié)調(diào)合作，到澆注以及數(shù)據(jù)處理和傳輸，學(xué)生都是自主動(dòng)手完成，老師輔助指導(dǎo)并對學(xué)生的疑難問題進(jìn)行啟發(fā)和解答。避免了以前只有個(gè)別學(xué)生動(dòng)手，其余學(xué)生觀望的現(xiàn)象，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，可培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、實(shí)驗(yàn)協(xié)作能力、數(shù)據(jù)處理能力等，滿足了工程教育對學(xué)生的部分畢業(yè)要求。

圖4 優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)流程圖

(三)改革教學(xué)方式

通過對實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施全面升級改造后，改善了基本的實(shí)驗(yàn)條件，在應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和方式上也做了進(jìn)一步的探索，改進(jìn)后的整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程如下圖5。

圖5 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)的原理，實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備、造型工具的用途、操作方法、注意事項(xiàng)等進(jìn)行詳細(xì)講解。之后，按照學(xué)時(shí)數(shù)要求對學(xué)生進(jìn)行分組，分組后組長負(fù)責(zé)一起討論老師預(yù)留實(shí)驗(yàn)前的思考題，每組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可對實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行合理分工，指導(dǎo)教師為學(xué)生提供不同類型的合金(鋁合金、鎂合金等)，每組可任選一種合金，學(xué)生結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識自行設(shè)計(jì)工藝流程并造型，指導(dǎo)教師對造型結(jié)果審核，審核通過后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在現(xiàn)場對每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況進(jìn)行評估打分，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并處理，撰寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中反饋對本次實(shí)驗(yàn)的建議和心得體會(huì)，以便不斷完善實(shí)驗(yàn)流程，達(dá)到學(xué)生滿意。

本次教學(xué)手段的改革，始終以學(xué)生為主體，從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)過程的各項(xiàng)操作及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理都是學(xué)生自主完成，充分鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。同時(shí)也避免了千篇一律的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果，增強(qiáng)了學(xué)生對專業(yè)知識的認(rèn)知度。

(四)完善考核方式

實(shí)驗(yàn)課不同于理論課，實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，因此僅通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告去評估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績是不科學(xué)的，通過改革，將實(shí)驗(yàn)的考勤、造型工藝的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程的操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告都納入考核范圍。其中，造型工藝的設(shè)計(jì)關(guān)系著實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行，比較關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的操作能反映出學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，也是關(guān)系到實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ闹匾蛩?，因此把這兩項(xiàng)作為考核實(shí)驗(yàn)成績的重要依據(jù)，所占比重也最大。同時(shí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告反映的是學(xué)生的數(shù)據(jù)處理與表述能力，對實(shí)驗(yàn)報(bào)告制定一套合理的評分標(biāo)準(zhǔn)，從實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，原理闡述，實(shí)驗(yàn)過程，數(shù)據(jù)處理，心得體會(huì)等全面評判實(shí)驗(yàn)報(bào)告，尤其是在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中讓學(xué)生反饋對本次實(shí)驗(yàn)的建議和心得體會(huì)，以便不斷完善實(shí)驗(yàn)流程，達(dá)到學(xué)生滿意。改革后的考核方式更加注重考核學(xué)生的動(dòng)手能力，有利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和創(chuàng)新意識。

三、結(jié)語

對鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)從硬件、軟件方面進(jìn)行全面的改革探索，改革后的應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及綠色化的方向轉(zhuǎn)變，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，加強(qiáng)了他們理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)方法，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果，為工程教育專業(yè)認(rèn)證奠定了良好的基礎(chǔ)。由于本次實(shí)驗(yàn)的改革只是針對鑄造方向的本科生，具有局限性，實(shí)驗(yàn)改革難免有不完善之處，希望有經(jīng)驗(yàn)的專家學(xué)者提出更多寶貴意見，使鑄造應(yīng)力測試實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。