無模鑄造教學(xué)實(shí)踐的探索

劉毅龍，馬 運(yùn)

（1.中國電影集團(tuán)公司，北京 100083；2.清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

金工實(shí)習(xí)是高等院校工科專業(yè)必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)性的工程實(shí)踐訓(xùn)練使學(xué)生學(xué)習(xí)到機(jī)械制造基礎(chǔ)工藝知識，有助于提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力，有利于學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)。如何更加有效地利用現(xiàn)有的教學(xué)資源和設(shè)備，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)盡可能地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，這是工程訓(xùn)練領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一。以鑄造實(shí)習(xí)中的無模鑄造設(shè)備為研究對象，說明如何利用先進(jìn)鑄造設(shè)備優(yōu)勢，充實(shí)鑄造教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的效果。

1 原有教學(xué)安排

清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心鑄造實(shí)訓(xùn)室目前主要由砂型鑄造、消失模鑄造、PCM（Patternless Casting Manufacturing,無模鑄型制造）以及3D精密鑄造4部分構(gòu)成。由于學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)間的限制，通常鑄造實(shí)習(xí)為2 d時(shí)間：砂型鑄造1 d、消失模鑄造0.5 d、精密鑄造0.5 d，因此對PCM設(shè)備只是進(jìn)行單純的示范講解，學(xué)生缺少對PCM無模鑄造設(shè)備實(shí)際操作環(huán)節(jié)，并且學(xué)生對先進(jìn)PCM無模鑄造技術(shù)無法形成直觀感性認(rèn)識，因此無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

2 改進(jìn)措施

通過前期查閱相關(guān)資料和相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)，在保證整個(gè)教學(xué)演示過程基本完整的基礎(chǔ)上，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，讓學(xué)生可以動手操作PCM無模鑄造設(shè)備，體驗(yàn)先進(jìn)鑄造技術(shù)的魅力所在。在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣同時(shí)進(jìn)而完成預(yù)期的教學(xué)目的。

2.1 PCM無模鑄造設(shè)備概念講述

無模鑄型快速制造技術(shù)是將CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）三維設(shè)計(jì)、3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)砂型鑄造工藝相結(jié)合而設(shè)計(jì)開發(fā)出的一種數(shù)字化制造的綜合技術(shù)[1]。

2.2 PCM無模鑄造技術(shù)原理講述

利用3D打印技術(shù)的離散/堆積成形原理，采用噴頭對砂型輪廓進(jìn)行掃描并且噴射固化劑從而實(shí)現(xiàn)鑄型的快速直接成形,屬于增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)中的微滴噴射-間接金屬（直接鑄型）快速制造技術(shù)[2]，PCM無模鑄造技術(shù)原理見圖1。

2.3 FHZL-PCM500ADU型號PCM無模鑄造設(shè)備講述

（1）最大造型尺寸為500 mm×500 mm×300 mm，該設(shè)備的系統(tǒng)是以工控機(jī)為主體，通過運(yùn)動控制器的各個(gè)接口與相連接的驅(qū)動器以及X，Y，Z三軸電機(jī)、鋪砂電機(jī)、送砂電機(jī)、滾筒電機(jī)等完成造型過程。

（2）由PLC控制器完成催化劑與原砂的配比和輸送；設(shè)備中有2個(gè)噴頭，一個(gè)是噴頭精確地噴射粘結(jié)劑形成截面的輪廓，另一個(gè)噴頭根據(jù)相應(yīng)的路徑形成截面的填充[3]。

（3）型砂在粘結(jié)劑與催化劑的共同作用下發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)固化在一起，從而完成一層截面的成型，完成一層后，工作平臺下降，鋪砂再粘接下一層，所有層粘接完之后就得到一個(gè)空間實(shí)體。

圖1 PCM無模鑄造技術(shù)原理

2.4 PCM技術(shù)工藝特點(diǎn)講述（略）

2.5 PCM技術(shù)應(yīng)用以及案例講述

目前PCM技術(shù)廣泛應(yīng)用在航空、航天、軍工、汽車、火車、摩托車、船舶、機(jī)械裝備、水泵、陶瓷等行業(yè)開發(fā)研制和生產(chǎn)單位。

3 結(jié)束語

通過教學(xué)思路的梳理，改進(jìn)了原有PCM設(shè)備教學(xué)演示環(huán)節(jié)，對于教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，增加了學(xué)生動手實(shí)踐的環(huán)節(jié)以及思考的環(huán)節(jié)，一方面提高了設(shè)備的使用功能，另一方面也有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

通過對鑄造教學(xué)環(huán)節(jié)關(guān)于PCM設(shè)備教學(xué)演示環(huán)節(jié)的改革，在教學(xué)實(shí)踐中體會到，可以嘗試融合其他工種的技術(shù)優(yōu)勢，設(shè)法將設(shè)備資源的教學(xué)作用更大程度上得以發(fā)揮，則有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步提高實(shí)踐課程的教學(xué)質(zhì)量。

表1 PCM技術(shù)工藝特點(diǎn)

表2 PCM與傳統(tǒng)砂型鑄造技術(shù)對比