穆海芳，張 麗

（1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.臨沂市科技館，山東 臨沂 276037）

機(jī)械合金化工程材料在機(jī)電一體化課程教學(xué)中的應(yīng)用

穆海芳1，張 麗2

（1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.臨沂市科技館，山東 臨沂 276037）

為了更好地在機(jī)電一體化課程中培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力和職業(yè)綜合素質(zhì)，本文闡述了機(jī)電一體化教學(xué)內(nèi)容改革的必要性，提出在教學(xué)內(nèi)容上增加機(jī)械工程材料課程內(nèi)容的比重，在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)課程中增加機(jī)械合金化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，利用機(jī)械合金化工藝制備新材料，促進(jìn)了機(jī)電一體化教學(xué)內(nèi)容和方式的改變.

機(jī)電一體化；工程機(jī)械材料；機(jī)械合金化

緒論

《機(jī)電一體化》是一門實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)的課程.該課程過去側(cè)重于從“系統(tǒng)”的角度出發(fā)，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的元、部件和微機(jī)控制系統(tǒng)的元(器)件的工作原理、特點(diǎn)、選用原則與選用方法進(jìn)行論述，重點(diǎn)從機(jī)電有機(jī)結(jié)合(機(jī)電一體化)的角度，對(duì)系統(tǒng)(產(chǎn)品)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法做詳細(xì)介紹.機(jī)械本身要從提高性能和精度、減少重量等幾方面考慮[1-3].因?yàn)橹挥袡C(jī)械本體重量減輕，才有可能設(shè)計(jì)小型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，改善系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性，減少能耗，提高效率[4-5].為了做到這幾點(diǎn)，除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上加以優(yōu)化，還可以替換使用的材料.因此，不論是機(jī)械系統(tǒng)還是電氣系統(tǒng)，材料選用的好壞最終影響著機(jī)電一體化產(chǎn)品的優(yōu)劣.本文提出在機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)課程中增加機(jī)械合金化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，把機(jī)械合金化工藝引入到機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)課程中，利用機(jī)械合金化工藝制備新的合金材料，希望能夠促進(jìn)機(jī)電一體化的教學(xué)改革.

1 教學(xué)內(nèi)容

1.1合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

機(jī)電一體化是融合機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、系統(tǒng)工程等多種技術(shù)于一體的新興綜合性學(xué)科，內(nèi)容多，涉及面廣，綜合性強(qiáng)，因此，因此根據(jù)教學(xué)大綱要求，精選教學(xué)內(nèi)容，制定合理的教學(xué)計(jì)劃，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果[6].目前大多數(shù)機(jī)械工程材料課程的講授都是以金屬材料為主線，包括它的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、工藝流程等[7].

作為教師要認(rèn)清這種形勢(shì)，機(jī)械工程材料在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中哪些方面能用的到，在教學(xué)過程中，教師要科學(xué)合理設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)展開教學(xué).而不能以偏概全，講授機(jī)械工程材料課程的所有內(nèi)容，反而體現(xiàn)不了機(jī)電一體化課程的特點(diǎn)[8].

如在講機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)向支承部件的選擇與設(shè)計(jì)時(shí)，選擇導(dǎo)軌副材料很重要，可以首先介紹常用的導(dǎo)軌材料，如鋼、鑄鐵、非鐵金屬等.然后分別說明各種材料制成的導(dǎo)軌各有什么特點(diǎn)，包括它的耐磨性、抗振性、熱穩(wěn)定性，加工工藝等等.最后在實(shí)驗(yàn)課程中引入機(jī)械合金化工藝制備常用的材料或者一些新材料.

1.2機(jī)械合金化知識(shí)

機(jī)械合金化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高性能制備新材料的新技術(shù).這種技術(shù)主要是使用一個(gè)高能球磨機(jī)，把一定比例的兩種或兩種以上的進(jìn)行機(jī)械混合，在球磨機(jī)中運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間，金屬粉末在磨球的反復(fù)沖擊、剪切、摩擦和壓縮等多種作用力下，經(jīng)過擠壓、冷焊以及粉碎的過程，把機(jī)械能傳遞給金屬粉末，最終得到合金粉體.機(jī)械合金的進(jìn)程及最終產(chǎn)物受一系列工藝參數(shù)的影響，經(jīng)常研究的工藝參數(shù)有球料比、球磨速度、球磨溫度、磨球材料、過程控制劑、球磨容器填充率和保護(hù)氣體等[9].

對(duì)機(jī)械合金化制備的樣品進(jìn)行測(cè)試經(jīng)常使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、以及熱分析掃描儀等.掃描電子顯微鏡（SEM）用來(lái)觀察粉末形狀結(jié)構(gòu)，X射線衍射儀（XRD）用來(lái)觀察粉末的合金化過程[10]，顯微硬度計(jì)用來(lái)測(cè)量材料的維氏硬度，利用透射電鏡對(duì)粉末進(jìn)行微觀形貌分析以及斑點(diǎn)衍射分析，采樣綜合熱分析儀（TG-DTA-MS）、激光熱導(dǎo)儀、熱膨脹儀等對(duì)粉末熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，采用萬(wàn)能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)、韋氏硬度計(jì)等對(duì)粉末的密度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量、斷裂韌性、硬度進(jìn)行分析測(cè)試.

2 教學(xué)方法

2.1體現(xiàn)工程性

在機(jī)電一體化課程中接觸到的金屬材料在結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝等方面有很大的區(qū)別，增加機(jī)械工程材料的內(nèi)容，主要目的是選擇更好的材料設(shè)計(jì)更好的機(jī)電一體化產(chǎn)品.對(duì)于機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生，在安排課程內(nèi)容時(shí)，應(yīng)以機(jī)械性能為主，給出常用工程材料的力學(xué)性能指標(biāo)及適用領(lǐng)域，因?yàn)闄C(jī)械類學(xué)生在工程材料方面更關(guān)注的是材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)和和應(yīng)用.在基于力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，參考制備工藝性，設(shè)計(jì)出機(jī)電一體化產(chǎn)品.例如在介紹典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)時(shí)，要聯(lián)系一個(gè)真實(shí)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，介紹它的設(shè)計(jì)思想，制造過程、所用材料及目前的使用情況等等.

2.2強(qiáng)調(diào)操作性

在實(shí)驗(yàn)課程中引入的機(jī)械合金化工藝，要強(qiáng)調(diào)其操作和結(jié)果分析.例如本次實(shí)驗(yàn)在KQM-X4/B型行星球磨機(jī)上進(jìn)行，球磨罐及磨球材質(zhì)為OCrl8NigTi不銹鋼，使用的是直徑分別是10mm和6mm兩種，總質(zhì)量為600g的磨球.采用分析天平稱量精確到0.1mg的元素粉末，按照一定的順序放入球磨罐中，將球磨罐密封后抽真空，然后充入氬氣，如此反復(fù)3次，以保證罐內(nèi)空氣排盡，為的是盡量避免球磨過程中粉末的氧化.球磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后，取粉并加入過程控制劑乙醇洗罐，2h后清洗、烘干.工藝流程如圖1所示：

機(jī)械合金化密封、充氮?dú)馊》鄄⒎Q量其質(zhì)量、洗罐稱量粉末質(zhì)量、配粉(精確至0.1mg)

基于影響機(jī)械合金化的因素分析，制定了本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析方案：

（1）借助實(shí)驗(yàn)手段及分析測(cè)試方法，考察球磨工藝參數(shù)，如球料比、球磨時(shí)間、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速與粉末顆粒粒度及粉末微觀結(jié)構(gòu)的演變之間的關(guān)系，深入分析合金化的機(jī)理；

（2）采用X射線衍射分析合金化過程，用掃描電子顯微鏡觀察合金粉末的組織結(jié)構(gòu).

（3）采用差示掃描量熱分析(DSC)進(jìn)行恒速升溫或等溫，使非晶態(tài)合金晶化，記錄晶化過程中的熱量變化，得到各個(gè)合金系的DSC曲線.通過測(cè)量玻璃轉(zhuǎn)變和晶化過程中的溫度變化推算出其晶化過程行為，從而研究晶化過程的動(dòng)力學(xué)特性和熱力學(xué)性質(zhì).

（4）硬度測(cè)試是在HVS-1000型數(shù)顯硬度儀上進(jìn)行的，載荷力為200gf，載荷時(shí)間為10s.為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求測(cè)試樣品表面平整和光潔，在不同的位置測(cè)量五次，然后取平均值.

機(jī)械性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在Instron5500型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)機(jī)最大載荷為5t，測(cè)量時(shí)盡量保證兩個(gè)端面相互平行且垂直于軸線，壓縮實(shí)驗(yàn)樣品采用直徑為2mm，長(zhǎng)徑比為1.5-2.5之間的圓柱形樣品.其抗壓強(qiáng)度σ和相對(duì)壓縮率ε的計(jì)算公式分別為：

式中：h0－樣品的原有長(zhǎng)度；

h－樣品遭壓縮破壞時(shí)的長(zhǎng)度；

p－壓縮過程中的樣品所能承受的最大載荷(N)；

S0－樣品的原始截面積(m2).

（5）熱力學(xué)分析晶化動(dòng)力學(xué)參數(shù)是通過差熱分析儀(DTA)或差示掃描量熱計(jì)(DSC)所獲得的熱分析曲線數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的，全局晶化激活能的計(jì)算方法為Kissinger峰移法；其表達(dá)式如下：

式中，β是連續(xù)加熱時(shí)的升溫速度(K/min)；

R是玻爾茲曼氣體常數(shù)（8.3145J/K*mol）；

E是晶化激活能（KJ/mol）;

T代表特征溫度(K)，可以是晶化開始溫度Tx、峰值溫度Tp或玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg.

式中l(wèi)n(T2/β)與1/T成正比，其關(guān)系曲線為一條斜率為E/R的直線，它代表了非晶合金晶化過程的激活能.

(6)探討合金化產(chǎn)物與工藝條件的關(guān)系，對(duì)磨球的碰撞行為與粉末的變形方面展開理論基礎(chǔ)研究，通過合金化動(dòng)力學(xué)計(jì)算，優(yōu)化合金化工藝，提高M(jìn)A效率.

結(jié)論

本文探討機(jī)電一體化課程的教學(xué)改革，把機(jī)械工程材料相關(guān)內(nèi)容補(bǔ)充到課程內(nèi)容中，在實(shí)驗(yàn)課程中引入機(jī)械合金化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，使學(xué)生真正吸收課程內(nèi)容，掌握機(jī)電一體化領(lǐng)域的知識(shí)和技能.通過典型的機(jī)械合金化工藝制備新材料，豐富了實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，加強(qiáng)了工程材料相關(guān)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生認(rèn)知機(jī)電一體化技術(shù)的學(xué)習(xí)領(lǐng)域，使學(xué)習(xí)過程具體化，提升學(xué)生對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情.

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G642.0

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1673-260X（2015）12-0225-02

機(jī)電一體化工程項(xiàng)目教學(xué)模式探討（szxyjyxm201310）