智能制造背景下鑄造實踐的教學改革與探索

霍 肖 周 琴 吳志超

（華中科技大學工程實踐創新中心，湖北 武漢430074）

0 引言

“中國制造2025”的目標是：經過10年的奮斗，到2025年，中國制造業整體素質大幅提升，創新能力顯著增強，全員勞動生產率明顯提高，智能化、服務化、綠色化達到國際先進水平，中國進入世界制造強國的行列。“中國制造2025”的核心是創新驅動發展，主線是工業化和信息化兩化融合，主攻方向是智能制造，最終實現制造業數字化、網絡化、智能化[1]。

隨著《中國制造2025》的提出，以“智造”代替“制造”，智能制造在各行業迅速發展并被應用，因此，企業的人才需求發生了根本的變化，這對高校的人才培養提出了新的要求。以鑄造為例，大力倡導綠色低碳已經成為鑄造行業發展的流行趨勢，中國已經把“綠色、低碳、可持續發展”作為國家戰略和基本國策。重體力、高污染的傳統操作方式嚴重制約了行業的發展，結合3D打印、工業機器人、虛擬仿真等技術的綠色發展之路已勢在必行。通過走訪、調研鑄造業的企業及上下游企業現狀及未來發展趨勢，解讀國家關于智能制造的戰略，結合專家論證，華中科技大學工程實踐創新中心以智能制造為核心建設了一流的教學支撐平臺——智能制造平臺，并圍繞新工科人才的培養對鑄造工程訓練內容進行了重構。

1 實踐設備的升級

鑄造作為高校工程訓練的一個重要教學模塊，大部分高校都是按照傳統的模式，依靠砂箱和模樣進行手工造型來獲得產品的砂型，然后進行澆注來獲得產品。部分高校因場地限制或安全因素的考慮省掉了澆注成型的步驟。因此一提到鑄造，不少學生認為就是翻砂，實際上鑄造有多種工藝方法，比如，熔模鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造等。

在此次智能制造教學平臺的建設中，華中科技大學工程實踐創新中心結合當前鑄造行業的發展、材料學院本科生的培養方案，選取了壓力鑄造、擠壓鑄造和3D打印砂型鑄造作為鑄造實踐教學平臺升級的方向。這是當今最為典型，代表智能鑄造未來發展方向的3種鑄造技術。壓力鑄造產線由智能冷室壓鑄機、智能壓鑄輔助控制系統、取件噴霧機器人、壓鑄模具組成，實現鋁合金熔化、模具噴霧、機器人給湯、壓鑄、機器人取件、產品檢測、成品輸出等完整全自動壓鑄流程。擠壓鑄造模塊由液態金屬擠壓鑄造機、擠壓鑄造模具、智能澆注機器人、電熱鋁合金保溫爐和熔化精煉設備組成，實現鋁合金熔化、精煉、機器人取湯、給湯、擠壓鑄造等完整擠壓鑄造流程。3D打印砂型鑄造模塊主要由混砂機、砂型3D打印機、鋁合金熔化保溫爐、智能澆注機器人組成，實現鑄件砂型的3D打印、鋁合金熔化、機器人取湯、給湯的過程。

2 教學內容的更新

教學內容的改革主要是通過引進工程產品，結合先進的教學實踐設施，基于“真刀實槍”“真材實料”，將設計、工藝、制造、檢測相結合，采用CDIO（構思、設計、實現、運行）模式[2]，將實訓內容與專業課程的知識相結合，讓實踐流程與實際產品開發相貼近，指導學生達成教學目標。

2.1 鑄造實踐的教學目標

更新后的鑄造實踐教學目標主要是：

（1）了解現代鑄造（壓力鑄造、擠壓鑄造、3D打印砂型鑄造）的工藝原理、工作流程及安全規程；

（2）熟悉現代鑄造設備的操作方法；

（3）理解鑄造CAE的原理，學會使用三維軟件進行三維建模、工藝設計及數值模擬；

（4）懂得不同鑄造工藝成型的特點，能夠對比分析不同工藝獲得的鑄件的質量；

（5）樹立自主創新的意識、激發愛國的熱情。

2.2 鑄造實踐的教學內容

在實踐教學安排上，首先是安全教育和鑄造的發展與應用介紹，以外交部推介湖北宣傳片中的曾侯乙編鐘進行課程導入，不僅讓學生們了解到鑄造的悠久歷史，更增強了民主自豪感，使學生們保持家國情懷。在講解3DP打印技術的原理及設備操作時，通過介紹華中科技大學材料學院在砂型3DP打印技術領域的全球領先地位以及技術進展等，增強學生對國產技術的自信心以及發展科技的決心。教授理論知識后，指導學生們完成彎管產品制作的方案。

有了方案以后，指導學生們利用計算機進行工藝設計、三維設計獲得彎管的鑄件、鑄型、砂芯、澆注系統的三維模型，并使用華中科技大學材料學院自主研發的華鑄CAE軟件進行數值模擬，提前識別鑄造中容易產生缺陷的位置并做出針對性的改善。

接著指導學生使用混砂機將固化劑和原砂按照一定的比例混合均勻，將設計的模型在砂型3D打印機中使用混配的砂進行打印，打印完成后待其固化成型，取出并進行清理，將砂型、砂芯、澆口杯組裝后放置在澆注工裝平臺上，由智能澆注機器人完成澆注，待冷卻成型后敲碎砂型獲得鑄件。

在掌握3D打印砂型鑄造后，帶領學生認知壓力鑄造和擠壓鑄造，了解單個鑄件的生產與批量生產的不同，并對不同工藝獲得的鑄件產品進行對比從而了解工藝流程的區別和使用場景的差異。

最后，要求學生利用學到的知識和技能進行個性化的設計和加工，完成整個流程的運作。

3 教學效果

更新后的現代鑄造工程訓練課程已在我校理工科專業開設共近5 000人次的課，學生反饋效果良好。根據收集上來的教學反饋表顯示，學生們不僅明白了鑄造的原理，通過三種不同鑄造工藝的認知與實踐，還理解了做好一個產品與做好一批產品的差異，懂得在試樣、批量不同的階段如何去選擇合適的工藝來提高生產效率和降低開發成本。

相比傳統的手工造型，利用三維軟件進行砂型設計，可以給學生創新的空間，同時結合虛擬仿真軟件，可以提前模擬鑄造過程，提高產品的成功率，降低教學成本。

工業機器人的應用，使得澆注過程智能化，不再擔心手工操作容易產生的燙傷危險，同時定量、定軌跡、勻速的路徑操作大幅提高了產品的成功率。

學生們在課堂上掌握了鑄造的生產工藝流程，課后就可以在參加各類創新設計比賽并在進行綜合訓練項目開發時熟練使用設備來完成制作，達到了學以致用的目的。

4 結語

以復合型、創新型智能鑄造技術技能人才為人才培養目標，以現代鑄造工程實踐為抓手，轉變人才培養模式，注重學科交叉，升級實踐設施，改革教學內容，凸顯智能特色，不僅推動3D打印技術、虛擬仿真技術及工業機器人應用等人工智能新技術在傳統鑄造領域的應用，還培養學生的工程觀、質量觀、系統觀，提升工程素質和創新能力，為探索工程素質與能力培養新模式，建立“中國經驗”“中國模式”的工程實踐教育創新體系提供有力支撐。