无模铸造成形技术在材控专业人才培养中的应用

朱福先，卢雅琳，周金宇，左健民

(江苏理工学院材料工程学院，江苏 常州 213001)

0 引言

自1998年教育部在全国高校进行学科与专业大调整以来，工科院校基本都设立了材料成型及控制工程专业。该专业研究材料成形加工理论、工艺、设备及控制等，探索材料成型时的力学行为、微观组织、结构变化及其对材料性能的影响，探索材料成型后的形状与质量控制等。材料成型行业作为金属和非金属材料生产制造业的服务终端，为下游各行各业提供大量原材料和零部件成品。随着经济和技术发展，新材料和新工艺不断涌现，材料成型及控制技术将环境友好、节能减排的绿色制造作为发展目标，向着高精度、自动化、集成化和智能化的方向发展。

我校以培养工程技术应用型或职业应用复合型人才为主，使学生掌握材料成型方法、机械设计制造、模具设计与制造的基本理论、工艺及设备等相关技术，能在该领域从事材料成型工艺与模具设计、生产管理、经营销售、技术研究和开发应用等工作的应用型专门人才。为此，必须引进先进的成型方法与设备，让学生及时掌握最新的成型工艺，跟上企业快速发展的技术步伐，满足材料成型技术日益发展的需求。在教学中，我们从机械科学研究总院引进了先进的无模铸造成形设备和工艺，使学生掌握了从铸型设计、加工到铸件浇注整个过程的工艺和方法，在实践训练中加深了学生对铸造工艺课程知识的理解，培养了学生的创新意识和实践动手能力。

1 无模铸造成形技术

金属件无模化精密成形技术是集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于表面形状特别复杂而精度要求相当高的工件的加工，具有高技术、高效率、高效益等特点，是目前成形技术领域的“制高点”。该技术主要是在CAD模型驱动下，直接采用数控机床加工出砂型，获得浇注的铸型，避免了使用传统的铸造工艺来的弊端。

传统的大型模具制作工艺是由木模制造随形壁厚的模具母模，然后翻砂制造出模具毛坯，再通过修模获得最终使用的模具。该方法存在尺寸精度差、制造周期长，复杂型面、凹腔制造困难等问题。比如汽车上的一些复杂金属零件，往往需要数副甚至数十副模具才能成形，价值达几十万元以上，制作周期长达数月至一年。与传统的有模铸造方式相比，无模铸造成形技术不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物如粉尘、废气、废渣等可得到回收，是对传统铸造工业的重大变革，其工艺对比如图1所示。根据无模铸造工艺的特点，该技术适用于新产品的开发和小批量生产，同时也适用于高等院校开展工艺试验和实践教学、科研等。

图1 传统有模铸造与无模铸造工艺对比

2 创新人才培养实践

利用无模铸造成形技术的快速和短流程性，在材料成形与控制工程专业的课程教学中开展了相关的创新实验、实践实训和科技创新等。

2.1 开展铸造成形工艺综合实验

铸造成形工艺课程是材控专业的主干课程，同时也是一门理论性与实践性兼备的课程。在传统教学中，主要采用“教师讲，学生听，教师写，学生抄”的满堂灌的教学方式，学生的学习是被动的，不能在实践中理解课程的知识要点，无法实现自己的创新想法。为此，在课程教学完成后，针对课程内容开展基于无模铸造成形技术的铸造成形工艺综合实验，要求学生根据学习内容，设计典型铸件的浇注系统、冒口、气孔、冷铁等，并通过无模铸造成形机加工出砂型，浇铸出铸件，图2为实验铸件。学生通过实验，可以分析不同铸造工艺对铸件质量的影响，进一步优化铸造工艺参数。通过实验使学生更直观地认识、理解了铸造成形过程，同时也锻炼了学生理论联系实际，运用所学知识开展创新应用的能力。

图2 实验铸件

2.2 开展铸造成形认知实习

金属零部件的生产是一个复杂的过程，主要包括:铸造工艺设计、铸型制作、浇注、清砂、热处理、机加工、表面处理等。以往的做法一般采取带领学生去企业参观的认知方式，该方式不能展示同一零件在生产过程中各环节的状态，学生走马观花，收效甚微。为此借助无模成形工艺，以常见金属零件的铸造成形过程为例，在实验室里演示同一零件由铸造工艺设计到铸件热处理的全过程，全面直观地给学生展示企业车间内零件生产的全过程。通过展示和实习，学生理解了复杂金属件的成形过程，认识了一个零件在企业车间中各过程的状态、生产方式和流通过程，增强了学习兴趣，提高了认知效果。

2.3 指导毕业设计

毕业设计是教学过程最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计，能使学生综合应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的练习，是学生走上工作岗位的最为重要的一次系统性的训练。在材料成型及控制工程专业学生中已连续两年开展了关于无模铸造成形技术方面的毕业设计。主要是针对某一机械零件，要求学生对其进行综合分析和铸造工艺设计，最后加工出铸型，浇铸出铸件，这些零件主要有:变速箱底座、轴承座、泵盖、支架、阀体等。在设计过程中要求学生先分析零件的材料和结构，再基于无模铸造成形技术，设计其分型面、浇注系统、冒口、气孔等，作出铸型图和铸件图，基于CAM技术生成加工路径，在无模铸造成形机上加工出砂型，最后利用中频熔炼炉浇铸出铸件，图3为学生设计的减速箱底座铸型图。这些毕业设计要求学生综合运用了铸造工艺及模具设计、机械制图、材料成型CAD/CAM/CAE及工程软件、先进成形与快速制模技术、数控加工等课程知识，以浇铸出合格的铸件实物为目标，锻炼了学生产品设计、加工实践、制造流程管理的能力，同时避免了纯理论研究与模拟等乏味的内容，提高了学生参与的积极性，取得了良好的教学效果。

图3 减速箱底座铸型

2.4 指导大学生科技创新

在当代，科学技术突飞猛进，新的发明、新的技术、新的材料、新的工艺层出不穷，社会在科技的带动下飞速发展，而创新又使这个速度不断加速。毫无疑问，培养学生成为科技创新的推动者是大学创新教育的使命。无模铸造成形技术为我校材料成型及控制工程专业学生创新能力培养创建了一个平台。首先，该技术研究得到了国家重大科技专项和中日国际合作等国家级项目的支持，在项目的开展过程中，邀请了一批高年级本科生和硕士研究生参与了这些项目的研究，包括:薄壁砂型加工工艺研究、深腔砂型加工工艺研究、消失模加工工艺研究、无模铸造成形机自动上下料机构设计等。其次，在研究中根据研究目标，鼓励学生大胆创新，提出新的实验方案，并通过相应设备检验实验效果，提升了他们参与科研和开展研究的能力。其中四名本科生将无模铸造技术同真空熔铸一体化技术相结合，申报的“复杂金属件无模铸造成形工艺研究”项目获批江苏省高等学校大学生实践创新训练计划重点项目。

3 结语

材料成型及控制工程专业涉及面广，新技术、新材料、新工艺的不断涌现使得专业实践教学的手段趋于多样化。将无模铸造成形技术应用于专业人才培养，丰富了我校材控专业实践教学的内容，提高了相关实践教学的效果，提升了学生的科技创新能力。

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