熔模精密铸造在机械工程训练中的实践探索

2022-01-04夏梦茜

现代制造技术与装备 2021年11期

夏梦茜

（桂林电子科技大学，桂林 541004）

工程训练是工程教育环节中重要的实践课程，是一门以实操为主的实践性课程。该课程通过实践与理论相结合的方式，提高大学生对工程的认知和动手能力，增强学生的全面素质，培养具有实践、创新、创业和就业能力的高素质工程人才。随着时代的发展和科技的进步，相关部门对工程训练的要求也不断提高，并给予了相关的政策支持。例如：2010年6月，教育部启动实施“卓越工程师教育培养计划”[1]，旨在培养出一大批创新性强、工程能力强、能够适应经济发展需要的高质量工程技术人才[2]；2015年4月国务院办公厅发布《关于深化高等学校创业创新教育改革的实施意见》[3]，指出深化高等学校创业创新教育改革对于国家发展战略、经济发展、教育综合改革以及大学生创业的意义[4]；2018年教育部提出我国在新形势下工科建设的改革方向，以及培养高工程素人才对于国家发展的意义，同时指出高校在传统的工科专业建设上需要进行升级改造，以更好的模式实现更高质量的教学[5]。这些政策表明了机械工程训练课程作为实践课程的重要性。

高等工程教育作为培养工程人才的基础，其主要目的就是培养和提高学生的创新能力、实践能力和综合素质。机械工程训练是学生了解机械加工设备、学习机械制造工艺知识、熟悉加工手段、培养团队协作精神、提高工程素质、培养创新精神和提高综合实践能力的教育课程。在时代的发展的新要求下，工程训练必须不断提高课程质量，才能培养出具有工程意识和创新创业能力的学生。

1 铸造实训改革的依据

1.1 机械工程训练的现状与问题

传统的工程训练针对的是机械专业的学生，后来逐渐扩大到理工科专业以及所有在校大学生。传统的工程训练即为原来的金工教学，其课程内容是制造业最基本的车、钳、铣、刨和磨等机械加工的基本过程，使学生通过工程实践了解机床的基本操作，提高学生对专业课的感性认识。这种传统的工程训练模式对我国技术人才的培养起到了重要的作用，但是随着科学技术的发展，传统的工程训练已经不能适应科技发展对人才的需求，因此必须不断深化工程训练改革。

目前，大多的工程训练都存在一些问题，如学习内容陈旧、缺乏新的教学方式、不利于学生创新意识和创新能力的培养、教学手段落后、设备陈旧、教师的教学兴趣不高、学生学习的积极性不高、各个工序只以基础操作教学为主、各个工种的工艺关联性差以及学生的整体工程意识得不到提高等。

1.2 铸造实训的现状与问题

1.2.1 教学内容陈旧

铸造在工业生产中应用广泛，是机械工程训练中的传统工种。目前，大多高校的铸造实训课程通常采用砂型铸造，学生不能自主选择铸造模样，无法进行多样化和个性化的训练，且最后没有进行浇铸，铸造出的铸件性能也不稳定。甚至一些铸造实训仅以教师演示为主，学生无法实操。这些问题导致学生学习的积极性不高，无法达到实训效果，且不利于学生工程能力和创新能力的培养。

1.2.2 对实训环境和管理的要求较高

砂型铸造对实训环境和管理有一定的要求，不便于教学的实施和管理，这些问题会严重影响学生工程实训的效率。因此，需要对铸造课程进行改进，引导学生将铸造的基本理论与实际加工生产有机结合，以提高学生自身的动手能力，巩固和充实学生的基础理论知识和专业理论知识。在实践环节中，要让学生通过自主铸造加工出自己想要的物品，以充分提高学生学习的积极主动性，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而开阔学生的视野、培养学生的综合创新能力、提高学生的综合素质。

铸造课程改革对提高学生的工程意识和综合能力，培养高素质的人才，以及满足社会对人才的需求具有重大意义。基于目前机械工程训练的铸造实训中存在的问题，为了进一步丰富学生机械工程训练的内容，增强学生工程实训的效果，提高学生创新创业能力，进一步探讨铸造课程的建设非常必要。

2 铸造实训的改革

2.1 熔模精密铸造实训内容

为了丰富工程实践的内容，培养学生的工程能力和素质，提高学生学习的积极主动性。基于传统铸造实训中存在的问题，使学生能够在规定的实践时间内达到良好的实训效果，本文提出将熔模精密铸造引入铸造实训课程中的实训课程，以石蜡铸造为例介绍其基本内容，加工流程简图如图1所示。

图1 熔模精密铸造流程简图

单件小批量生产的具体加工过程为：先通过3D打印获得石蜡模，然后用石膏粉加水充分混合获得石膏溶液，再将石膏溶液倒入装有石蜡模的钢铃中静置，将静置成型的石膏放在电炉中，通过升温保温静置，制备石膏模，之后将金属熔化，注入到石膏模中，在铸造机中的铸件成型后，夹出钢铃置入水中，获得铸件，待铸件温度降低后，取出铸件对铸件进行后处理，处理完成后即可得到成品。学生通过此方式进行铸造加工获得的铸件，如图2所示。

图2 铸件示例图

若想要实现复杂铸件的生产，在获得3D打印石蜡模后，可以先通过制作胶模，然后向其中注入石蜡的方式获得多个蜡模，再将蜡模种在蜡树上以获得蜡树成品模型，如图3所示，再以此为模具进行成品铸件浇铸，最后获得成品铸件，重复此操作即可获得多颗蜡树。图4为获得的成品铸件示例。

图3 蜡树示例图

图4 铸件示例图

2.2 熔模精密铸造实训的意义

2.2.1 为学生提供个性化、层次化的课程内容

工程训练课程不仅针对机械专业，还涉及许多其他理科甚至文科专业。不同的专业在思维模式和实训认知上存在差异。如图5所示，熔模精密铸造的课程内容提供两种模式：第一种是从无到有，即通过学生自主设计出图形，利用3D打印设备打印出石蜡模型，然后通过熔模铸造得到最后的成品；第二种是从有到有的逆向工程思维模式，即学生用已经存在的物品通过三维扫描进行建模，通过得到的模型制作出胶膜，再铸造加工加工出外形相同的金属铸件。两种不同的课程模式供学生选择，能够满足不同专业学生的学习目标和学生不同的设计思维，从而体现学生的个性化和学习内容的层次化。

图5 课程模式设置图

2.2.2 更新教学理念，提高学生的积极性

大部分机械专业以外的学生对工程训练的认知只限于机械专业知识的实习，机械专业的学生则认为实训内容基础、单一、陈旧。同时，传统的铸造实训也的确存在内容单一、设备陈旧的问题，因此包括机械专业在内的学生对实训的积极性都不高。

熔模精密铸造不再局限于传统的机械零件的加工制造，同时还把重点放在了充满个性化金属饰品的加工方面。学生在实训时通过自主设计，能够加工出自己想要的物品，使学生主动的要求学习而不是教师灌输式教学。通过这种学习方法，充分调动了学生的学习积极主动性。

2.2.3 用充实的教学内容，充分提高学生的创新创业意识

传统的铸造实训与其他工种工艺关联性差，这也是很多工程训练课程存在的问题之一。这往往会导致学生在实训后只是掌握了各个工种的基本操作，但认识不到实训课程的系统性，无法真正培养学生的工程意识和创新创业意识。

熔模铸造结合3D打印和三维扫描等现代生产技术，使学生可以自主加工出一个完整的铸件。同时，铸造所用的模具也可以通过冲压、数控铣等工艺加工出来，从而增大了工程训练各个环节的关联性，使学生对铸造课程以及整个工程训练的认识更加深刻，而且铸造实训结束后加工出的成品也具有收藏意义和经济价值。另外，学生对整个加工生产流程有一定的了解，能够提高学生的创新意识，对学生毕业后的创新创业也有一定的促进作用。

2.2.4 便于实训课程的管理和建设

机械工程实训每个工种的课时是有限的，利用先进的熔模精密铸造设备，可以在规定的铸造实训时间内让学生轻松的完成整个铸造流程，有利于课程内容的建设。如桂林电子科技大学“机械制造工程训练中心”的铸造实训采用了新设备、新技术、新工艺，减少了各工艺阶段的操作时间。其各工艺阶段采用的设备及特点分别为：采用光敏石蜡材料，能够快速打印出高精度的石蜡模型；双温控数显压膜机操作简单；数字真空注蜡机（如图6所示）能够快速的完成注蜡；真空自动搅粉机（如图7所示）在真空下能够使石膏粉和水混合均匀；电炉采用微电脑双层旋转型，含有多层温度设置，能够很好地制备出石膏模；微电脑全自动真空加压震动铸造机（如图8所示）能够精确地确定金属熔化温度，并采用真空减少金属的氧化，操作界面简单。熔模铸造采用全新的先进设备，体积相对较小，操作简单方便，便于存放和管理，并且整个铸造环节对于环境污染相对较低，有利于课程的开展和实验室设备管理。