智能制造背景下鑄造實(shí)踐的教學(xué)改革與探索

霍 肖 周 琴 吳志超

（華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心，湖北 武漢430074）

0 引言

“中國(guó)制造2025”的目標(biāo)是：經(jīng)過(guò)10年的奮斗，到2025年，中國(guó)制造業(yè)整體素質(zhì)大幅提升，創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率明顯提高，智能化、服務(wù)化、綠色化達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，中國(guó)進(jìn)入世界制造強(qiáng)國(guó)的行列?！爸袊?guó)制造2025”的核心是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，主線(xiàn)是工業(yè)化和信息化兩化融合，主攻方向是智能制造，最終實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[1]。

隨著《中國(guó)制造2025》的提出，以“智造”代替“制造”，智能制造在各行業(yè)迅速發(fā)展并被應(yīng)用，因此，企業(yè)的人才需求發(fā)生了根本的變化，這對(duì)高校的人才培養(yǎng)提出了新的要求。以鑄造為例，大力倡導(dǎo)綠色低碳已經(jīng)成為鑄造行業(yè)發(fā)展的流行趨勢(shì)，中國(guó)已經(jīng)把“綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展”作為國(guó)家戰(zhàn)略和基本國(guó)策。重體力、高污染的傳統(tǒng)操作方式嚴(yán)重制約了行業(yè)的發(fā)展，結(jié)合3D打印、工業(yè)機(jī)器人、虛擬仿真等技術(shù)的綠色發(fā)展之路已勢(shì)在必行。通過(guò)走訪(fǎng)、調(diào)研鑄造業(yè)的企業(yè)及上下游企業(yè)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，解讀國(guó)家關(guān)于智能制造的戰(zhàn)略，結(jié)合專(zhuān)家論證，華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心以智能制造為核心建設(shè)了一流的教學(xué)支撐平臺(tái)——智能制造平臺(tái)，并圍繞新工科人才的培養(yǎng)對(duì)鑄造工程訓(xùn)練內(nèi)容進(jìn)行了重構(gòu)。

1 實(shí)踐設(shè)備的升級(jí)

鑄造作為高校工程訓(xùn)練的一個(gè)重要教學(xué)模塊，大部分高校都是按照傳統(tǒng)的模式，依靠砂箱和模樣進(jìn)行手工造型來(lái)獲得產(chǎn)品的砂型，然后進(jìn)行澆注來(lái)獲得產(chǎn)品。部分高校因場(chǎng)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(xué)生認(rèn)為就是翻砂，實(shí)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(xué)平臺(tái)的建設(shè)中，華中科技大學(xué)工程實(shí)踐創(chuàng)新中心結(jié)合當(dāng)前鑄造行業(yè)的發(fā)展、材料學(xué)院本科生的培養(yǎng)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)升級(jí)的方向。這是當(dāng)今最為典型，代表智能鑄造未來(lái)發(fā)展方向的3種鑄造技術(shù)。壓力鑄造產(chǎn)線(xiàn)由智能冷室壓鑄機(jī)、智能壓鑄輔助控制系統(tǒng)、取件噴霧機(jī)器人、壓鑄模具組成，實(shí)現(xiàn)鋁合金熔化、模具噴霧、機(jī)器人給湯、壓鑄、機(jī)器人取件、產(chǎn)品檢測(cè)、成品輸出等完整全自動(dòng)壓鑄流程。擠壓鑄造模塊由液態(tài)金屬擠壓鑄造機(jī)、擠壓鑄造模具、智能澆注機(jī)器人、電熱鋁合金保溫爐和熔化精煉設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)鋁合金熔化、精煉、機(jī)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(jī)、砂型3D打印機(jī)、鋁合金熔化保溫爐、智能澆注機(jī)器人組成，實(shí)現(xiàn)鑄件砂型的3D打印、鋁合金熔化、機(jī)器人取湯、給湯的過(guò)程。

2 教學(xué)內(nèi)容的更新

教學(xué)內(nèi)容的改革主要是通過(guò)引進(jìn)工程產(chǎn)品，結(jié)合先進(jìn)的教學(xué)實(shí)踐設(shè)施，基于“真刀實(shí)槍”“真材實(shí)料”，將設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)相結(jié)合，采用CDIO（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行）模式[2]，將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)課程的知識(shí)相結(jié)合，讓實(shí)踐流程與實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)相貼近，指導(dǎo)學(xué)生達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2.1 鑄造實(shí)踐的教學(xué)目標(biāo)

更新后的鑄造實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)主要是：

（1）了解現(xiàn)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(guī)程；

（2）熟悉現(xiàn)代鑄造設(shè)備的操作方法；

（3）理解鑄造CAE的原理，學(xué)會(huì)使用三維軟件進(jìn)行三維建模、工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬；

（4）懂得不同鑄造工藝成型的特點(diǎn)，能夠?qū)Ρ确治霾煌に嚝@得的鑄件的質(zhì)量；

（5）樹(shù)立自主創(chuàng)新的意識(shí)、激發(fā)愛(ài)國(guó)的熱情。

2.2 鑄造實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容

在實(shí)踐教學(xué)安排上，首先是安全教育和鑄造的發(fā)展與應(yīng)用介紹，以外交部推介湖北宣傳片中的曾侯乙編鐘進(jìn)行課程導(dǎo)入，不僅讓學(xué)生們了解到鑄造的悠久歷史，更增強(qiáng)了民主自豪感，使學(xué)生們保持家國(guó)情懷。在講解3DP打印技術(shù)的原理及設(shè)備操作時(shí)，通過(guò)介紹華中科技大學(xué)材料學(xué)院在砂型3DP打印技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位以及技術(shù)進(jìn)展等，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)國(guó)產(chǎn)技術(shù)的自信心以及發(fā)展科技的決心。教授理論知識(shí)后，指導(dǎo)學(xué)生們完成彎管產(chǎn)品制作的方案。

有了方案以后，指導(dǎo)學(xué)生們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)獲得彎管的鑄件、鑄型、砂芯、澆注系統(tǒng)的三維模型，并使用華中科技大學(xué)材料學(xué)院自主研發(fā)的華鑄CAE軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，提前識(shí)別鑄造中容易產(chǎn)生缺陷的位置并做出針對(duì)性的改善。

接著指導(dǎo)學(xué)生使用混砂機(jī)將固化劑和原砂按照一定的比例混合均勻，將設(shè)計(jì)的模型在砂型3D打印機(jī)中使用混配的砂進(jìn)行打印，打印完成后待其固化成型，取出并進(jìn)行清理，將砂型、砂芯、澆口杯組裝后放置在澆注工裝平臺(tái)上，由智能澆注機(jī)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(lǐng)學(xué)生認(rèn)知壓力鑄造和擠壓鑄造，了解單個(gè)鑄件的生產(chǎn)與批量生產(chǎn)的不同，并對(duì)不同工藝獲得的鑄件產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比從而了解工藝流程的區(qū)別和使用場(chǎng)景的差異。

最后，要求學(xué)生利用學(xué)到的知識(shí)和技能進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)和加工，完成整個(gè)流程的運(yùn)作。

3 教學(xué)效果

更新后的現(xiàn)代鑄造工程訓(xùn)練課程已在我校理工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)共近5 000人次的課，學(xué)生反饋效果良好。根據(jù)收集上來(lái)的教學(xué)反饋表顯示，學(xué)生們不僅明白了鑄造的原理，通過(guò)三種不同鑄造工藝的認(rèn)知與實(shí)踐，還理解了做好一個(gè)產(chǎn)品與做好一批產(chǎn)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(lái)提高生產(chǎn)效率和降低開(kāi)發(fā)成本。

相比傳統(tǒng)的手工造型，利用三維軟件進(jìn)行砂型設(shè)計(jì)，可以給學(xué)生創(chuàng)新的空間，同時(shí)結(jié)合虛擬仿真軟件，可以提前模擬鑄造過(guò)程，提高產(chǎn)品的成功率，降低教學(xué)成本。

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，使得澆注過(guò)程智能化，不再擔(dān)心手工操作容易產(chǎn)生的燙傷危險(xiǎn)，同時(shí)定量、定軌跡、勻速的路徑操作大幅提高了產(chǎn)品的成功率。

學(xué)生們?cè)谡n堂上掌握了鑄造的生產(chǎn)工藝流程，課后就可以在參加各類(lèi)創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽并在進(jìn)行綜合訓(xùn)練項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)熟練使用設(shè)備來(lái)完成制作，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

以復(fù)合型、創(chuàng)新型智能鑄造技術(shù)技能人才為人才培養(yǎng)目標(biāo)，以現(xiàn)代鑄造工程實(shí)踐為抓手，轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)模式，注重學(xué)科交叉，升級(jí)實(shí)踐設(shè)施，改革教學(xué)內(nèi)容，凸顯智能特色，不僅推動(dòng)3D打印技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用等人工智能新技術(shù)在傳統(tǒng)鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用，還培養(yǎng)學(xué)生的工程觀(guān)、質(zhì)量觀(guān)、系統(tǒng)觀(guān)，提升工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力，為探索工程素質(zhì)與能力培養(yǎng)新模式，建立“中國(guó)經(jīng)驗(yàn)”“中國(guó)模式”的工程實(shí)踐教育創(chuàng)新體系提供有力支撐。