创新背景下的高校工程训练铸造工艺教学改革研究及其实践

薛春江，徐文利

(内蒙古科技大学工程训练中心，内蒙古包头 014010)

当下“大众创业，万众创新”已经成为时代鲜明的主题。顺应国家号召，勇于创新创业，是当代大学生义不容辞的责任与义务。

培养高素质的创新人才是时代对高等学校提出的迫切要求，是实施素质教育的根本目的。而高等院校的工程训练是培养学生创新能力、实践能力和工程背景教育的重要载体[1～3]，在高等院校的教学中发挥着举足轻重的作用。近几年工程训练中心积极开展提高学生创新能力和培养学生创新意识、创新思维的教学改革研究和实践，其中围绕铸造工艺开展的铝合金熔炼、消失模铸造等创新实践教学改革取得了良好的教学效果。

1 铸造工艺实训教学发展历程

铸造工艺实践教学一直是工科类高等院校工程训练中心金工实习课程中的一个重要教学环节[4,5]。

2014年以前由于教学手段不多、教学设备缺乏，铸造实践教学主要以石蜡作为铸造材料进行手工砂型铸造，如图1所示。由于缺乏金属熔炼、铸造的真实工程环境，学生在实践过程中只能大致了解铸造过程，而对于金属熔炼工艺及操作要点的掌握则无从谈起，学生的积极性、主动性也不高，与工业生产脱节比较严重。

图1 砂型铸造的石蜡手轮

2014年工程训练中心开始着手进行熔炼工艺的技术改造，依靠自身的技术力量和已有的加工设备完成了100kg中频熔铝炉的设计、加工和制造，形成了完整的金属熔炼、铸造实验线。开始了利用金属熔液进行铸造实训操作的教学实践,同时增加了金属型铸造实践教学方法，如图2所示。

图2 砂型与金属型铝铸件

图3 消失模铸造原理示意、模样及铸件

针对铸造实践教学中存在的教学模式固化、学生参与度不高、教学效果不佳的问题，结合学校开展的创新实践教学活动，工程训练中心又在2015年初着手开始进行消失模铸造工艺实践教学改革。

消失模铸造也被称为“负压实型铸造”[6]，其基本原理是采用泡沫、石蜡等材料进行造型，经刷涂耐火涂料、烘干、振动造型后，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法[7]，如图3所示。

消失模铸造工艺技术被国内外铸造界誉为“21世纪的铸造技术”，最早起源于美国[8]，目前在国内外工业生产中广泛应用。而且该项技术已在国内多所本科及高职院校的金工实习课程中开展实践教学应用[9～12]。

2015年8月工程训练中心建成了消失模铸造工艺实验线，并制定了相关的教学方法，同年9月投入教学使用。形成了完善的金属熔炼—铸造工程实训平台，同时在铸造方法上引进了先进的消失模铸造工艺技术。投入教学以后在培养学生的工程意识、创新意识、团队协作能力、交流沟通能力等方面都取得了积极的效果。

2 铸造工艺实训平台的建设

在铸造工艺的教学改革实践中，工程训练中心教职工利用已有设备，在购置相关材料及标准件（泵、电机等）的基础上独立设计、加工制造了100kg中频熔铝炉及整套消失模铸造工艺设备，形成了完整的金属熔炼—铸造实验线。

2.1 熔炼—铸造工艺流程

目前工程训练中心铸造工艺实践教学采用铝及铝合金熔炼、砂型铸造、金属型铸造和消失模铸造等四种主要工艺技术。熔炼及铸造的工艺流程如图4所示。

2.2 主要工艺设备选型

根据工艺流程、使用人数、工作制度及场地情况等确定了主要工艺设备的种类和数量（见表1）。

3 铸造工艺教学改革的特色及创新

经过多年的教学实践，工程训练中心的教职工在实践中改革，改革中创新，创新中积淀，围绕铸造工艺实践教学开展的教学改革有如下特色。

图4 熔炼—铸造工艺流程图

表1 熔炼-铸造工艺实验线主要设备性能及参数

3.1 铸造工艺理论教学与实践的有效结合及相互印证

经过对铸造工艺实践教学的改革与创新，改善了教学方法[5]，丰富了教学手段，增加了教学设备与设施，使得铸造工艺理论和实践得到了很好的结合与印证。在新构建的铸造实训平台上，既可以进行传统的砂型铸造的实践教学，也可以实现先进的消失模铸造工艺的操作。学生不仅可以亲自参与多种铸造工艺的实践操作，零距离接触到工业生产中的各种铸造工艺设备，同时可以亲眼见证不同铸造工艺之间在工艺流程、操作方法、产品质量等方面的差别，以及同一种铸造工艺由于工艺参数的不同对产品质量、性能等方面产生的影响，如图5、6所示。这样就可以很好地和理论知识加以印证，巩固学生的专业知识。

图5 砂型和金属型表面质量比较

图6 砂型和金属型内部质量比较

3.2 创建真实工程实践环境，培养工程应用型人才

近几年出于安全及技术保密等原因，可供在校本科生进行校外生产实习的单位越来越少。学生在校期间接触生产实践的机会也相应变得越来越少，即便是去到生产企业也基本上是走马观花的参观实习，很难达到生产实习的教学深度要求。

工程训练中心立足自身力量创建了真实的铸造工艺工程实践环境，为在校学生提供了生产实践机会，每一名学生都能够进行多种铸造工艺的实践操作，实现了“做中学、学中做”的教学目的，提高了学生的实践动手能力，弥补了目前校外生产实习的不足。

3.3 引进先进的消失模铸造技术作为铸造实训教学的新方法

消失模铸造技术作为“21世纪的铸造技术”和“绿色铸造技术”,目前在工业生产中广泛应用。将之应用于在校本专科学生的实训教学，不仅可以保持教学与工业发展的同步，缩短教学与实践应用的差距，同时在提高实训教学师资能力、调动学生主动性、积极性和创造性等方面都产生了积极的意义[7]。

首先，在消失模工艺实验线的建设上一改以往成套外购的方式，依靠工程训练中心自己的技术力量完成了消失模工艺实验线的工艺设计、设备设计及工艺布置，并利用已有的加工设备独立加工制造了消失模铸造工艺的主体设备，如振动台、真空抽吸站、电热丝切割机及电热鼓风干燥箱等。在整个设计和制造过程中，工程训练中心的教职工不断学习、探讨、论证，整个师资队伍的综合能力得到了提高和改善。

其次，在消失模实践教学方法和模式上也进行了创新研究[4]。采用分组协作的方式，将实习学生按照自由组合的方式分成若干小组。在实习过程中各小组发挥团队优势，独立设计、操作，实现了以学生为主体的现代教学模式。从实际教学效果来看，在提高学生团队合作能力和设计技能、培养学生的工程意识、创新意识、团队协作能力、交流沟通能力等方面都收到了良好的反馈，图7为部分学生作品。

3.4 采用多种先进制造技术，探索新型金属材料成型工艺

图7 学生消失模工艺作品（铝铸件）

在铸造工艺实践教学的创新改革中结合了数控雕刻、数控切割和3D打印等多项先进制造技术，对于形状复杂、精度要求高的铸件成型工艺进行了研究和创新。

通过计算机建模，采用数控雕刻和数控切割的方式对EPS泡沫板进行精确加工，然后进行消失模铸造，从而得到尺寸精确、表面质量精细的金属铸件，如图8所示。

图8 数控雕刻的EPS模型及消失模铝铸件

工程训练中心的教职工独立开发研制了大规格的3D打印机，对于形状复杂的铸件采用3D打印的方式建立石蜡模型，利用石蜡模型进行消失模铸造。从而探索出一种针对于形状复杂铸件的新型成型工艺。

4 结语

工程训练中心在铸造工艺实践教学方面经过多年、系统的改革和创新，构建了完善的铸造工艺实训平台，引进了先进的消失模铸造工艺技术，形成了具有鲜明创新特色的铸造工艺实训教学体系。同时在教学改革过程中采用了诸如数控雕刻、数控切割及3D打印等先进制造技术，实现了先进制造技术与传统加工工艺的有机结合。

铸造工艺实践教学改革实施并投入教学应用以来，对在校学生素质教育方面取得了积极的效果。通过新的铸造工艺实训教学体系，学生获得了生产实践的锻炼机会，接触到了工业生产中的先进技术，专业理论知识得以夯实，工程实践能力得以提高。同时更重要的是培养了学生的创新意识和创新精神，为学校培养应用型人才目标的实现乃至大学生的顺利就业提供了有力的支撑。

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[2] 丁政,于兆勤,邓海洋.加强工程训练教学团队建设培养应用型创新人才[J].实验室研究与探索，2012,31(8)：151-154.

[3] 陈咏华,李丽荣.工程训练实践教学研究与探索[J].实验室技术与管理,2011,28(3)：118-126.

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[5] 任治胜.何骥.机械工程训练铸造工艺的改革和探索[J].科技信息,2008(24)：370-371.

[6] 姜不居,吕志刚.铸造技术应用手册[M].中国电力出版社,2010.

[7] 张守魁.提高学生对实践教学的兴趣[J].实验室科学,2007(4)：10-11.

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[9] 张守魁,等.围绕EPC开展创新实践教学[J].黑龙江高教研究,2003(5)：145-146.

[10] 张守魁.消失模铸造工程训练中的授课环节[J].高校实验室工作研究,2010(1)：6-8.

[11] 杨旭,闫周.消失模铸造在工程训练创新训练中的优势[J].科技创新导报,2013(30)：43-44.

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