工程训练与机械制造基础综合课程的探索与实践<br/>——以铸造工艺为案例

工程训练与机械制造基础综合课程的探索与实践
——以铸造工艺为案例

2018-05-21周世权黄胜智李智勇陈文锷

实验室研究与探索 2018年4期

周世权，黄胜智，赵轶，李智勇，陈文锷，周琴

(华中科技大学工程实训中心，武汉 430074)

0 引言

机械类机械制造基础系列课程包括机械制造技术基础、机械制造实习和实验。其历史悠久，在1980～2000年期间，机械制造技术基础课程学时数最高达到120学时，机械制造实习(原金工实习)和实验最长达到8周，一般由金工教研室教师负责教学组织和安排，通过教师设计和参与指导实习和实验将理论课与实践课紧密结合。但2000年后,由于课程改革,很多学校的机械制造技术基础课程被分解为材料成形技术基础和机械制造技术基础两门课, 而且两门课被分散到材料和机械两个学院, 原金工实习拓展为工程训练课程独立归属到工程训练中心, 导致理论与实践严重脱节。上理论课的老师不知道学生实践课做了什么，实践课的老师也不管理论课需要什么实践内容。近年来，许多学者疾呼高等工程教育应该回归工程，但绝不是说各自单独去搞理论和实践教学，所有的实践教学都应该有利于理论与实践的紧密结合，有利于拉近理论课教师与实践课教师的距离，有利于拉近理论课教师与学生的距离[1]。在教育部构建实验教学示范中心的教学质量工程中，一门新型实践课程工程训练课程快速在全国高校中建立，很多有远见的高校坚持将机械制造基础理论课与工程训练实践课共同归属于一个单位(工程训练中心、工程实训中心或工程实践与创新中心)，从而进一步加强了理论课与实践课的联系，促进了教学水平的提高和教学质量的提高。比如哈尔滨工业大学，大连理工大学等学校，通过理论课教师与实践课老师的有机合作，通过学科发展的带动和引领，教学成果水平不断提高，新的课程甚至新的专业在中心建立起来[2]，中心的可持续发展成为可能。同样香港理工大学工业中心已经从过去的模拟工厂转变为研习工厂，这也表明了理论与实践紧密的结合是高等学校工程教育的发展方向[3]。

国际上研究型大学没有单独的工程训练课程，通常由理论课程中安排若干工程项目实践来实现理论与实践的结合。例如，美国麻省理工学院机械工程专业所开课程中有Design and Manufacturing I &Ⅱ, 将设计与制造紧密结合，同时通过项目实践在规定的时间和预算内，完成项目的任务。强调制造工艺性和功能完整性，课程主要依托通过设计和建造项目的主动学习，设计、工程和管理学科的集成和制造企业分析与设计的实践,重点是制造过程和系统的物理和多样性，以及他们对质量、速度、成本和柔性的影响。其中一半时间学生要到实验室进行项目设计、制造和分析。这些世界一流大学没有训练(Training)的课程名称，一般都是以Project(项目)和Practice(实践)名称出现。通常是职业技术学院和应用型大学才开设Training课程。这也说明研究型大学实践教学的目的是为了对理论的理解和应用，进而提高分析问题和解决问题的能力，是通过实践学会工程研究的方法，而不是为了培训技能。

国内高校中近年来对理实一体化课程的研究逐步增多[4-7]，其方法有将课堂放到车间边讲边练，学用结合；有制定模块，讲练交替的；还有给予职业发展取向，强化技能应用的。总的来看还是停留在用实践来理解工艺原理，进一步提高工艺技能, 职业化教育的倾向比较明显。

笔者在学校教学质量工程研究项目和湖北省教学研究项目的支持下，通过文献研究和调研，提出了构建“机械制造技术基础综合课程”的研究项目，并做了大量的研究工作，形成了旨在提高学生分析问题解决问题的能力的课程体系和教学内容。

1 理实一体化课程体系及教学内容设计

机械制造技术基础综合课程体系：以现代制造技术为基础、以典型案例实践与分析为先导、以计算机辅助工艺设计为核心、了解传统工艺方法的特点、培养综合工程能力和创新精神[8]。

根据课程体系要求，按照教学内容，将每一知识点的教学按照先到实习车间进行实践教学，获得工程实践的感性认识和动手能力。然后在课堂上进行归纳，总结。同时提出问题和项目任务，学生通过自学、设计、制作获得产品功能；最后，再到课堂对存在的问题进行研讨、获得解决问题的方案和创新报告。

根据上述课程体系要求和分析，确定“机械制造技术基础综合课程”的教学内容为：

体验传统制造工艺方法，掌握先进制造工艺装备操作，讲授与讨论制造工艺基本知识，进行典型零件工艺分析与制作实践，项目设计与工艺设计研讨，项目实施与制作、运行考核、报告与答辩。

具体教学内容设计如表1所示。主要针对机械类专业原来“金工实习”和“机械制造技术基础”两门课合计学时为200，经过整合实际学时为176，其中实践内容所占比例不能与理论教学完全分开，只能根据教学需要，有时可能要进行分析、讨论，有时需要实验、制作。按照课程章节内容同时安排认识实践、讲课、动手操作、工艺分析讲课、项目任务实施与答辩。

表1 “机械制造技术基础综合课程”的教学内容设计

2 铸造工艺章节案例实施方案

2.1 教学目标

根据机械类专业对毕业生能力要求，本章节可以贡献给专业论证中毕业生能力指标中的第3、6、8、9、和12项中的内容[9]，具有初步铸件结构设计能力、铸造工艺设计能力；掌握砂型铸造的操作技能；了解其他铸造方法特点及应用、铸造合金的特点及应用，能够用3D打印技术实现工艺设计，并实施工艺过程。

2.2 教学内容与学时分配

(1) 铸造工艺认识实践(6学时)。① 参观铸造实训室及工艺品铸造实际操作(4学时)。认识型砂、砂箱、模样、芯盒、造型工具、造型、浇注系统、合箱、熔炼、浇注、落砂清理、检验等铸造过程；铸件的特点及应用；亲手铸造十二生肖小工艺品，培养兴趣。② 观看视频录像(2学时)。认识熔模精密铸造、离心铸造、压力铸造、消失模铸造等特种铸造工艺。

(2) 铸造工艺基础知识讲座(4学时)。① 金属及合金的铸造性能(2学时)。熟悉流动性、收缩性、应力的概念；正确选用常用铸造合金。② 砂型铸造工艺的内容(2学时)。熟悉零件图与铸造工艺图的异同点，明确分型面、分模面、型芯、型芯头、型芯座、起模斜度、加工余量、浇注系统等定义和作用。

(3) 砂型铸造工艺实践(6学时)。① 两通铸件的分模铸造工艺过程操作演练(4学时)。读懂零件图和铸造工艺图、正确选择模样和芯盒、造型、制芯、下芯、合箱、合金熔炼、浇注、落砂清理、质量检验、质量改进方案。② 其他造型方法现场演示教学(2学时)。整模、活块、三箱造型方法的特点和造型过程。

(4) 铸件结构设计原理讲座(2学时)。熟悉砂型铸造铸件结构工艺性的概念、正确设计铸件的外形、内腔、壁厚、圆角及壁间过度以及减小结构应力的设计等。了解其他特种铸造铸件结构设计的内容。

(5) 铸造工艺综合设计与制作项目(20学时)。① 3D打印软件及硬件的操作演练(4学时)。学会FDM3D打印机的操作过程、三维设计软件的使用和三维模型的转换。② 分析典型铸件砂型铸造的结构设计和工艺设计(4学时)。能够对典型铸件进行结构设计、工艺设计；获得三维工艺设计图、模样三维图、芯盒三维图。③ 模样和芯盒的3D打印制作(4学时)。将模样三维图和芯盒三维图转换为3D打印软件格式文件，生成3D打印程序文件，进行3D打印操作，获得模样和芯盒实物，打磨修整。④ 造型、制芯、下芯、合箱、熔炼浇注、落砂清理和检验(4学时)。采用3D打印获得的模样和芯盒、到铸造车间完成各种设计方案的铸造工艺过程，记录铸造工艺相关参数。⑤ 分析讨论结构设计和工艺设计的合理性(4学时)。从铸件质量、工艺操作难易程度、效率和成本等方面分析结构设计和工艺设计的合理性，提出改进方案。

2.3 实施步骤与教学方法

(1) 铸造工艺认识实践。以班为单位到铸造实训室，优先由实习指导教师演示砂型铸造过程，然后学生亲自动手铸造十二生肖工艺品(见图1)。学生参观实训室，记录相关设备、工模具。由教师组织看录像片，了解其他特种铸造工艺过程。

图1 十二生肖工艺品的铸造

(2) 铸造工艺基础知识讲座。由教师讲授金属及合金的流动性、收缩性、偏析与吸气，铸造性能与力学性能间的关系，讨论铸造合金的选择。认识零件图与铸造工艺图，分析铸造工艺参数与铸造工艺图设计。

(3) 砂型铸造工艺实践。由实习指导老师安排学生铸造两通铸件[10]，从零件图分析、铸造工艺图设计、到选择模样、芯盒、造型、制芯、下芯、合箱、浇注、清理和质量分析(见图2)。其他造型方法(整模、活块、三箱)的演示性示范讲解。

(4) 铸件结构设计原理讲座。由教师讲授砂型铸造的铸件结构设计，包括外形、内腔、壁厚、壁间连接的设计原则、减小铸造应力的设计；其他特种铸造方法的铸件结构设计。

(5) 铸造工艺综合设计与制作项目。教师下达项目任务书(见图3)，组织学生分析典型铸件的结构设计与铸造工艺间的关系。结构设计与铸造工艺的多样性，分组设计不同铸件结构和工艺方案。指出实现工艺方案的可能途径(传统机械加工、数控加工、特种加工、3D打印)。

3D打印实训室指导教师组织学生学习FDM3D打印软件和打印机的操作，学生实操3维图形转换-3D打印程序生成-基底安放-3D打印过程控制-产品后处理。

学生采用3D打印制作工艺设计的模样、芯盒，并对表面进行抛光处理。

学生采用所获得的模样和芯盒进行造型，制芯、合箱；选择铸造合金熔炼、浇注；落砂清理，质量分析。相关工艺参数记录、质量参数记录、效率与成本记录。

图2 两通铸件的铸造工艺过程

槽轮铸件为铸造铝合金ZL102，大批量砂型铸造，试分析结构工艺性，设计铸造工艺方案，设计制作模样和芯盒，铸造工艺过程实施，铸件质量分析，成本分析和效率分析

图3 槽轮铸件项目任务书

撰写设计说明书和工艺过程分析报告，提交作品和报告，参加答辩。

3 教学效果分析

2016年3～7月，在材料控制1404-06，工程1401-02班中进行试点，学生经过有关铸造工艺知识的学习和操作实践，初步学会采用铸件的结构工艺性设计原理和铸造工艺设计方法完成槽轮铸件的结构工艺性设计，铸造工艺设计；并用FDM3D打印制作模样和芯盒，然后用砂型铸造工艺实现铸造工艺设计。部分学生的学习积极性得到充分调动，自主学习浇注系统和冒口的设计，采用实验测得凝固时间公式中的时间常数和指数。取得了良好的教学效果。

3.1 学生结构设计和工艺设计结果

(1) 结构设计。通过结构设计获得如图4、5所示的两种结构的零件。

(2) 针对结构设计1的铸造工艺设计。由于结构设计1中，中心轮毂高于轮缘，为了实现大批量机器造型，应采用分模两箱造型，芯盒也采用两半分开式芯盒，见图6、7。

图4 槽轮零件结构设计1

图5 槽轮零件结构设计2

图6 结构设计1的铸造工艺设计

(3) 针对结构设计2的铸造工艺设计。由于结构

设计2中，中心轮毂与轮缘等高，大批量机器造型，可采用整模两箱造型，芯盒采用外壁圆形结构，内部两半分开式芯盒，见图8、9。

图7 结构设计1的芯盒设计

图8 结构设计2的铸造工艺设计

图9 结构设计2的芯盒设计

3.2 凝固时间公式中的时间常数和指数的实验测定

根据凝固时间公式t=C(V/S)n,对一定成分的合金，如果已知公式中的常数C和指数n,对特定铸件就可以计算出凝固时间t。而知道凝固时间后，就可以设计冒口尺寸；同时还可以计算浇注速度，进而可以设计浇注系统[11]。

通过对同样体积的球形件、圆柱形件、长方体形件、正方体形件等用液体残留法实测凝固时间(见图10)，得到不同ln(V/S)对应的lnt的一条直线(见图11)，直线的斜率为n, 直线的截距为lnC.计算得n=0.738 8,C=99.544，为浇注系统设计提供依据[12]。

3.3 FDM 3D打印制作模样和芯盒

通过工艺设计，将三维图转换为3 D打印文件，控制3D打印机打印获得了模样和芯盒，见图12。

3.4 砂型铸造的槽轮铸件

用模样和芯盒砂型造型后获得的铸型以及浇注的实践，获得了质的飞跃[13]。过去金工实习完了就只知道造型、学了机械制造技术基础课后也不知道如何指导实践，如今可以理解相关知识，不仅能动手造型、还能利用课程相关理论设计工艺、用3D打印制作模样和芯盒、通过铸造实施分析设计方案的合理性。

图10 测定凝固时间用试样

图11 凝固时间与形状参数曲线

图12 模样、芯盒、铸型及落砂后的铸件实物图

3.5 学生报告与答辩

学生根据各自的任务分工，首先完成各自的报告，然后由项目负责人完成整体项目设计与制作报告，报告提交后，由学生组成答辩委员会，教师也是答辩委员会成员之一，学生每个项目选一人，全班组成5～7人的答辩委员会，经过项目自述、提问和回答问题等环节，使学生得到一次完整的学习与实践经历，通过以形成性评价为主，以终结性评价为辅的评价方式，给学生进行成绩评定[14]，不管得分高低，学生对自己的成绩是满意的，认为客观地反映了自己的学习情况，取得较好的教学效果。学生反映“通过项目设计与制作，对课堂所学有了更深的理解，通过团队协作解决一系列问题更是增强了团队合作能力。”“对机械制造工艺这门课程及铸造技术有了进一步的认识和理解。也进一步锻炼了自己实际动手设计的能力。在实验过程中出现过一些看似微不足道但到后面才发现严重的错误，例如在设计零件图时由于扫略的路径没有设置好，导致整个图需要推倒重来，这表明设计时思考的逻辑性和严密程度还不够，仍需进一步努力。团队的力量远大于个人，在一开始对于本次实验感到束手无策，但经过大家相互探讨和实践后，问题被一一解决”。“通过这次实验，逐渐学会将理论设计与实践铸造相结合，以结合实际为出发点，对机械制造工艺这门课程及铸造这门技术学问有了一个更深层次的认识与理解，对今后这方面的学习及工作有很大的帮助” 。

答辩中学生对答辩委员会成员提出的问题能够正确思考和回答，确实发现错误的也能及时改正。同时增强了学生口头表达能力，学会了采用数据、引用典型成果和理论回答评委所提问题。很多同学自学了铸造工艺模拟、浇冒口系统设计等较深的内容。达到了促进学生自主学习和主动实践的教学目的[15]。