無模鑄造成形技術在材控專業(yè)人才培養(yǎng)中的應用

朱福先，盧雅琳，周金宇，左健民

(江蘇理工學院材料工程學院，江蘇 常州 213001)

0 引言

自1998年教育部在全國高校進行學科與專業(yè)大調整以來，工科院校基本都設立了材料成型及控制工程專業(yè)。該專業(yè)研究材料成形加工理論、工藝、設備及控制等，探索材料成型時的力學行為、微觀組織、結構變化及其對材料性能的影響，探索材料成型后的形狀與質量控制等。材料成型行業(yè)作為金屬和非金屬材料生產制造業(yè)的服務終端，為下游各行各業(yè)提供大量原材料和零部件成品。隨著經濟和技術發(fā)展，新材料和新工藝不斷涌現(xiàn)，材料成型及控制技術將環(huán)境友好、節(jié)能減排的綠色制造作為發(fā)展目標，向著高精度、自動化、集成化和智能化的方向發(fā)展。

我校以培養(yǎng)工程技術應用型或職業(yè)應用復合型人才為主，使學生掌握材料成型方法、機械設計制造、模具設計與制造的基本理論、工藝及設備等相關技術，能在該領域從事材料成型工藝與模具設計、生產管理、經營銷售、技術研究和開發(fā)應用等工作的應用型專門人才。為此，必須引進先進的成型方法與設備，讓學生及時掌握最新的成型工藝，跟上企業(yè)快速發(fā)展的技術步伐，滿足材料成型技術日益發(fā)展的需求。在教學中，我們從機械科學研究總院引進了先進的無模鑄造成形設備和工藝，使學生掌握了從鑄型設計、加工到鑄件澆注整個過程的工藝和方法，在實踐訓練中加深了學生對鑄造工藝課程知識的理解，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新意識和實踐動手能力。

1 無模鑄造成形技術

金屬件無模化精密成形技術是集計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體，應用于表面形狀特別復雜而精度要求相當高的工件的加工，具有高技術、高效率、高效益等特點，是目前成形技術領域的“制高點”。該技術主要是在CAD模型驅動下，直接采用數控機床加工出砂型，獲得澆注的鑄型，避免了使用傳統(tǒng)的鑄造工藝來的弊端。

傳統(tǒng)的大型模具制作工藝是由木模制造隨形壁厚的模具母模，然后翻砂制造出模具毛坯，再通過修模獲得最終使用的模具。該方法存在尺寸精度差、制造周期長，復雜型面、凹腔制造困難等問題。比如汽車上的一些復雜金屬零件，往往需要數副甚至數十副模具才能成形，價值達幾十萬元以上，制作周期長達數月至一年。與傳統(tǒng)的有模鑄造方式相比，無模鑄造成形技術不僅制造速度快，而且精度高。由于在封閉環(huán)境中加工，成形過程中的廢棄物如粉塵、廢氣、廢渣等可得到回收，是對傳統(tǒng)鑄造工業(yè)的重大變革，其工藝對比如圖1所示。根據無模鑄造工藝的特點，該技術適用于新產品的開發(fā)和小批量生產，同時也適用于高等院校開展工藝試驗和實踐教學、科研等。

圖1 傳統(tǒng)有模鑄造與無模鑄造工藝對比

2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)實踐

利用無模鑄造成形技術的快速和短流程性，在材料成形與控制工程專業(yè)的課程教學中開展了相關的創(chuàng)新實驗、實踐實訓和科技創(chuàng)新等。

2.1 開展鑄造成形工藝綜合實驗

鑄造成形工藝課程是材控專業(yè)的主干課程，同時也是一門理論性與實踐性兼?zhèn)涞恼n程。在傳統(tǒng)教學中，主要采用“教師講，學生聽，教師寫，學生抄”的滿堂灌的教學方式，學生的學習是被動的，不能在實踐中理解課程的知識要點，無法實現(xiàn)自己的創(chuàng)新想法。為此，在課程教學完成后，針對課程內容開展基于無模鑄造成形技術的鑄造成形工藝綜合實驗，要求學生根據學習內容，設計典型鑄件的澆注系統(tǒng)、冒口、氣孔、冷鐵等，并通過無模鑄造成形機加工出砂型，澆鑄出鑄件，圖2為實驗鑄件。學生通過實驗，可以分析不同鑄造工藝對鑄件質量的影響，進一步優(yōu)化鑄造工藝參數。通過實驗使學生更直觀地認識、理解了鑄造成形過程，同時也鍛煉了學生理論聯(lián)系實際，運用所學知識開展創(chuàng)新應用的能力。

圖2 實驗鑄件

2.2 開展鑄造成形認知實習

金屬零部件的生產是一個復雜的過程，主要包括:鑄造工藝設計、鑄型制作、澆注、清砂、熱處理、機加工、表面處理等。以往的做法一般采取帶領學生去企業(yè)參觀的認知方式，該方式不能展示同一零件在生產過程中各環(huán)節(jié)的狀態(tài)，學生走馬觀花，收效甚微。為此借助無模成形工藝，以常見金屬零件的鑄造成形過程為例，在實驗室里演示同一零件由鑄造工藝設計到鑄件熱處理的全過程，全面直觀地給學生展示企業(yè)車間內零件生產的全過程。通過展示和實習，學生理解了復雜金屬件的成形過程，認識了一個零件在企業(yè)車間中各過程的狀態(tài)、生產方式和流通過程，增強了學習興趣，提高了認知效果。

2.3 指導畢業(yè)設計

畢業(yè)設計是教學過程最后階段采用的一種總結性的實踐教學環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設計，能使學生綜合應用所學的各種理論知識和技能，進行全面、系統(tǒng)、嚴格的技術及基本能力的練習，是學生走上工作崗位的最為重要的一次系統(tǒng)性的訓練。在材料成型及控制工程專業(yè)學生中已連續(xù)兩年開展了關于無模鑄造成形技術方面的畢業(yè)設計。主要是針對某一機械零件，要求學生對其進行綜合分析和鑄造工藝設計，最后加工出鑄型，澆鑄出鑄件，這些零件主要有:變速箱底座、軸承座、泵蓋、支架、閥體等。在設計過程中要求學生先分析零件的材料和結構，再基于無模鑄造成形技術，設計其分型面、澆注系統(tǒng)、冒口、氣孔等，作出鑄型圖和鑄件圖，基于CAM技術生成加工路徑，在無模鑄造成形機上加工出砂型，最后利用中頻熔煉爐澆鑄出鑄件，圖3為學生設計的減速箱底座鑄型圖。這些畢業(yè)設計要求學生綜合運用了鑄造工藝及模具設計、機械制圖、材料成型CAD/CAM/CAE及工程軟件、先進成形與快速制模技術、數控加工等課程知識，以澆鑄出合格的鑄件實物為目標，鍛煉了學生產品設計、加工實踐、制造流程管理的能力，同時避免了純理論研究與模擬等乏味的內容，提高了學生參與的積極性，取得了良好的教學效果。

圖3 減速箱底座鑄型

2.4 指導大學生科技創(chuàng)新

在當代，科學技術突飛猛進，新的發(fā)明、新的技術、新的材料、新的工藝層出不窮，社會在科技的帶動下飛速發(fā)展，而創(chuàng)新又使這個速度不斷加速。毫無疑問，培養(yǎng)學生成為科技創(chuàng)新的推動者是大學創(chuàng)新教育的使命。無模鑄造成形技術為我校材料成型及控制工程專業(yè)學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)創(chuàng)建了一個平臺。首先，該技術研究得到了國家重大科技專項和中日國際合作等國家級項目的支持，在項目的開展過程中，邀請了一批高年級本科生和碩士研究生參與了這些項目的研究，包括:薄壁砂型加工工藝研究、深腔砂型加工工藝研究、消失模加工工藝研究、無模鑄造成形機自動上下料機構設計等。其次，在研究中根據研究目標，鼓勵學生大膽創(chuàng)新，提出新的實驗方案，并通過相應設備檢驗實驗效果，提升了他們參與科研和開展研究的能力。其中四名本科生將無模鑄造技術同真空熔鑄一體化技術相結合，申報的“復雜金屬件無模鑄造成形工藝研究”項目獲批江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃重點項目。

3 結語

材料成型及控制工程專業(yè)涉及面廣，新技術、新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)使得專業(yè)實踐教學的手段趨于多樣化。將無模鑄造成形技術應用于專業(yè)人才培養(yǎng)，豐富了我校材控專業(yè)實踐教學的內容，提高了相關實踐教學的效果，提升了學生的科技創(chuàng)新能力。

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