《铸造工艺学》课程一体化教学的实践

赵亚忠，朱 磊

（南阳理工学院机械与汽车工程学院，河南南阳 473004）

关键字： 铸造工艺学；学习与设计一体化；教学改革

铸造是重要的、基础性的、不可替代的零件生产技术。我国是铸件的生产和出口大国，铸件产量已连续17年稳居世界第一位，2016年产量多达4720万吨。

随着技术的发展和环保的要求，与铸造生产有关的工艺设计、工装准备、质量管理等都需要高素质铸造专业应用型人才，我国铸造从业人员达200万。我国各高校材料成型及控制工程专业（铸造方向）为社会培养铸造方面人才，满足日益增长的铸造技术要求，为铸造行业可持续发展提供人才基础。

《铸造工艺学》是材料成型及控制工程专业的一门必修课。这门课程要求学生理解铸造基本理论，掌握铸造工艺设计方法，完成零件的铸造工艺设计，为将来工作打下坚实的基础。为了满足快速、准确地进行铸造工艺设计的工业上要求，在铸造工艺系列课程教学过程中实践新的教学模式和教学方法，以提高教学质量。

1 教学中存在的主要问题

多数院校铸造工艺设计的教学分为三个部分：①《铸造工艺学》理论课程，讲述传统的铸造工艺设计理论及设计方法；②《铸造工艺课程设计》，进行零件的铸造工艺设计；③《铸造工艺CAE》，学习华铸CAE、ProCAST等铸造模拟软件。

课程传统的授课模式是：先进行铸造工艺学理论学习，再进行为期2～3周的铸造工艺设计，最后再学习铸造工艺CAE。这样安排具有便于管理便于考核的优点，但在教学中存在如下两点问题。

1） 知识内容学习与工艺设计脱离

先学习各个知识点，再进行设计，造成了学习与设计有所脱离。在本课程理论知识学习时，通常结合课本或课件上提供的示例来练习，不是结合整个零件练习。缺乏整体性考虑，无形当中将知识点与其应用割裂。铸造工艺设计需要综合考虑各种因素、综合应用各种知识才能完成好[1]。

2） 设计中并没有发挥出CAE的作用

CAE只是用来学习软件怎么用，用简单的例子来练习，并没有与铸造工艺设计有机结合。

为解决上述问题，在铸造工艺设计系列课程教学时采用了学习与设计一体化教学方法。

2 铸造工艺学学习与设计一体化教学安排

铸造工艺学的教学内容及其教学流程如图1所示。图1中反映了零件分析、浇冒口设计、砂芯设计等设计内容，也反映了铸造CAE中铸件凝固缺陷模拟技术在课程教学过程中的应用。

图1 铸造工艺一体化教学及设计流程图

本课程第一节授课时，把需要进行铸造工艺设计的零件图发给学生。例如，我校2015级学生为48人，每6人为一组分为8组，每组进行一个零件的铸造工艺和工装设计。所用的8张零件图均来自企业。

为了与企业接轨，适应市场需求，一体化课程教学过程中应用了铸件凝固缺陷模拟的技术，以进一步培养学生铸造工艺计算机辅助设计的能力。

在本专业教学安排时，从2014级开始在学习CAD和三维绘图软件U G后，安排24学时的铸造工艺CAE课程，主要学习ProCAST软件的应用，然后再进行为期3.5周的铸造工艺一体化课程，不再分

为理论学习和课程设计两门课程。

3 铸造工艺学学习与设计一体化教学的实施

3.1 教学过程中学习与设计的配合

首先让学生分析零件的材料、结构、质量要求、使用工况，从而得到全面的零件信息。

在对本课程所有的知识点进行教学时，都要求学生对照下发的零件图，充分考虑零件结构和技术要求，学习和理解各个知识点之后，再完成相关部分的铸造工艺设计。

比如，在进行零件结构的铸造工艺性分析时，在学习了课本上的几个样例后，再让学生在零件上寻找哪些结构不适合铸造，哪些孔不适合铸出，哪一部分壁太薄，这样学生对知识的理解比只参照书上的例题来学习深刻得多。

在进行零件分型面选择时，在零件图纸上设计不同的分型方案，并进行比较和分析，择优设计。这比单纯理解分型面的几条选择原则复杂得多，能够深入实际考虑零件上哪些部分不能起模。

在进行加工余量和拨模斜度设计时，学生可以在零件上找到需要设置加工余量和拨模斜度的位置。传统模式教学很难让学生明白它们的设置位置。在进行浇注系统设计时，结合零件结构和材料，来选择浇注系统形式和位置；并计算各浇道截面积并布置浇道位置。

在进行冒口设计时，对照零件进行冒口补缩距离的计算，从而确定冒口间距；计算零件上每一壁的模数，从而在热节处设置冒口，并利用热补贴或冷铁等方法维护补缩通道。

3.2 凝固模拟的实施与应用

受型砂、材料、熔炼、工艺参数、模具等各种不稳定因，传统铸造工艺设计存在经验性强，科学性不充足的缺陷。设计的铸造工艺能不能用并不完全知道。铸造CAE中凝固及缺陷模拟技术在一定程度上解决了这一问题[2，3]。

铸造模拟技术使铸造工艺设计形象生动和直观，对促进学生学习有很大的作用，也使学生能够适应现代的铸造企业。在本课程中铸造工艺设计后，采用ProCAST软件进行铸造凝固模拟。如果模拟结果显示有铸造缺陷存在时，改进设计工艺，然后重新模拟，直到模拟时没有缺陷为止。应用铸件凝固模拟软件，为学生设计提供了合理与否的标准，也使铸造工艺设计成为带有反馈机制的设计，大大提高了工艺设计质量。

4 学习与设计一体化教学特点分析

一体化教学流程与传统流程的区别如图2所示。

图2 一体化教学流程与传统流程的区别

1）边学边练边设计，三者有效结合学习效率高

学习任何一个知识点时，结合PPT和书本上的例题来练习，并且在下发的零件图上设计铸造工艺。设计成为练习的延伸，成为知识应用的战场，使学生理解更透彻，也使铸造工艺设计具有更高的效率。

2）便于知识点的综合应用

在本课程学习过程中所用的PPT上和课本上的例子，由于篇幅所限，通常都是只针对本知识点的典型例子，零件结构尽量简单。而实际铸造工艺设计时需要针对多个知识点进行设计，只管一个知识点的例子用起来很不全面。

一体化设计时，由于所有的设计都在同一个零件上进行，不用去多次熟悉零件结构和特点，节省了大量的设计时间。一个零件上包含了多个知识点对应的设计内容，设计时综合考虑各方面复杂因素，使学生理解得更清楚，考虑问题更全面。

3）一体化教学也是项目教学

每一组进行的零件铸造工艺工装设计，都可视为一个设计项目。项目教学使学生自主思考，主动工作，提高学习兴趣。由于学习和设计是整体过程，完成项目过程中把零散的缺乏联系的知识点有机地结合起来，便于学生整理思路，出色地完成学习和设计任务[4-5]。

5 结论

本校近两年的实践结果表明，在铸造工艺学教学时边学边练边设计，三者有效结合有效地提高了学习质量和设计效率。在铸造工艺设计后增加了凝固及缺陷模拟环节，为学生铸造工艺设计提供合理与否的标准，使设计带有反馈机制，实践表明大大提高了学生铸造工艺设计质量，也能够更好地适应铸造企业的要求。