智能制造背景下铸造实践的教学改革与探索

霍 肖 周 琴 吴志超

（华中科技大学工程实践创新中心，湖北 武汉430074）

0 引言

“中国制造2025”的目标是：经过10年的奋斗，到2025年，中国制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，智能化、服务化、绿色化达到国际先进水平，中国进入世界制造强国的行列。“中国制造2025”的核心是创新驱动发展，主线是工业化和信息化两化融合，主攻方向是智能制造，最终实现制造业数字化、网络化、智能化[1]。

随着《中国制造2025》的提出，以“智造”代替“制造”，智能制造在各行业迅速发展并被应用，因此，企业的人才需求发生了根本的变化，这对高校的人才培养提出了新的要求。以铸造为例，大力倡导绿色低碳已经成为铸造行业发展的流行趋势，中国已经把“绿色、低碳、可持续发展”作为国家战略和基本国策。重体力、高污染的传统操作方式严重制约了行业的发展，结合3D打印、工业机器人、虚拟仿真等技术的绿色发展之路已势在必行。通过走访、调研铸造业的企业及上下游企业现状及未来发展趋势，解读国家关于智能制造的战略，结合专家论证，华中科技大学工程实践创新中心以智能制造为核心建设了一流的教学支撑平台——智能制造平台，并围绕新工科人才的培养对铸造工程训练内容进行了重构。

1 实践设备的升级

铸造作为高校工程训练的一个重要教学模块，大部分高校都是按照传统的模式，依靠砂箱和模样进行手工造型来获得产品的砂型，然后进行浇注来获得产品。部分高校因场地限制或安全因素的考虑省掉了浇注成型的步骤。因此一提到铸造，不少学生认为就是翻砂，实际上铸造有多种工艺方法，比如，熔模铸造、消失模铸造、压力铸造等。

在此次智能制造教学平台的建设中，华中科技大学工程实践创新中心结合当前铸造行业的发展、材料学院本科生的培养方案，选取了压力铸造、挤压铸造和3D打印砂型铸造作为铸造实践教学平台升级的方向。这是当今最为典型，代表智能铸造未来发展方向的3种铸造技术。压力铸造产线由智能冷室压铸机、智能压铸辅助控制系统、取件喷雾机器人、压铸模具组成，实现铝合金熔化、模具喷雾、机器人给汤、压铸、机器人取件、产品检测、成品输出等完整全自动压铸流程。挤压铸造模块由液态金属挤压铸造机、挤压铸造模具、智能浇注机器人、电热铝合金保温炉和熔化精炼设备组成，实现铝合金熔化、精炼、机器人取汤、给汤、挤压铸造等完整挤压铸造流程。3D打印砂型铸造模块主要由混砂机、砂型3D打印机、铝合金熔化保温炉、智能浇注机器人组成，实现铸件砂型的3D打印、铝合金熔化、机器人取汤、给汤的过程。

2 教学内容的更新

教学内容的改革主要是通过引进工程产品，结合先进的教学实践设施，基于“真刀实枪”“真材实料”，将设计、工艺、制造、检测相结合，采用CDIO（构思、设计、实现、运行）模式[2]，将实训内容与专业课程的知识相结合，让实践流程与实际产品开发相贴近，指导学生达成教学目标。

2.1 铸造实践的教学目标

更新后的铸造实践教学目标主要是：

（1）了解现代铸造（压力铸造、挤压铸造、3D打印砂型铸造）的工艺原理、工作流程及安全规程；

（2）熟悉现代铸造设备的操作方法；

（3）理解铸造CAE的原理，学会使用三维软件进行三维建模、工艺设计及数值模拟；

（4）懂得不同铸造工艺成型的特点，能够对比分析不同工艺获得的铸件的质量；

（5）树立自主创新的意识、激发爱国的热情。

2.2 铸造实践的教学内容

在实践教学安排上，首先是安全教育和铸造的发展与应用介绍，以外交部推介湖北宣传片中的曾侯乙编钟进行课程导入，不仅让学生们了解到铸造的悠久历史，更增强了民主自豪感，使学生们保持家国情怀。在讲解3DP打印技术的原理及设备操作时，通过介绍华中科技大学材料学院在砂型3DP打印技术领域的全球领先地位以及技术进展等，增强学生对国产技术的自信心以及发展科技的决心。教授理论知识后，指导学生们完成弯管产品制作的方案。

有了方案以后，指导学生们利用计算机进行工艺设计、三维设计获得弯管的铸件、铸型、砂芯、浇注系统的三维模型，并使用华中科技大学材料学院自主研发的华铸CAE软件进行数值模拟，提前识别铸造中容易产生缺陷的位置并做出针对性的改善。

接着指导学生使用混砂机将固化剂和原砂按照一定的比例混合均匀，将设计的模型在砂型3D打印机中使用混配的砂进行打印，打印完成后待其固化成型，取出并进行清理，将砂型、砂芯、浇口杯组装后放置在浇注工装平台上，由智能浇注机器人完成浇注，待冷却成型后敲碎砂型获得铸件。

在掌握3D打印砂型铸造后，带领学生认知压力铸造和挤压铸造，了解单个铸件的生产与批量生产的不同，并对不同工艺获得的铸件产品进行对比从而了解工艺流程的区别和使用场景的差异。

最后，要求学生利用学到的知识和技能进行个性化的设计和加工，完成整个流程的运作。

3 教学效果

更新后的现代铸造工程训练课程已在我校理工科专业开设共近5 000人次的课，学生反馈效果良好。根据收集上来的教学反馈表显示，学生们不仅明白了铸造的原理，通过三种不同铸造工艺的认知与实践，还理解了做好一个产品与做好一批产品的差异，懂得在试样、批量不同的阶段如何去选择合适的工艺来提高生产效率和降低开发成本。

相比传统的手工造型，利用三维软件进行砂型设计，可以给学生创新的空间，同时结合虚拟仿真软件，可以提前模拟铸造过程，提高产品的成功率，降低教学成本。

工业机器人的应用，使得浇注过程智能化，不再担心手工操作容易产生的烫伤危险，同时定量、定轨迹、匀速的路径操作大幅提高了产品的成功率。

学生们在课堂上掌握了铸造的生产工艺流程，课后就可以在参加各类创新设计比赛并在进行综合训练项目开发时熟练使用设备来完成制作，达到了学以致用的目的。

4 结语

以复合型、创新型智能铸造技术技能人才为人才培养目标，以现代铸造工程实践为抓手，转变人才培养模式，注重学科交叉，升级实践设施，改革教学内容，凸显智能特色，不仅推动3D打印技术、虚拟仿真技术及工业机器人应用等人工智能新技术在传统铸造领域的应用，还培养学生的工程观、质量观、系统观，提升工程素质和创新能力，为探索工程素质与能力培养新模式，建立“中国经验”“中国模式”的工程实践教育创新体系提供有力支撑。