黃 林，安旭光，辛成來，王小煉

(成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

《材料成形原理》是材料成型及控制工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)必修課。本課程重點(diǎn)介紹了液態(tài)成形(鑄造)、連接成型(焊接)、塑性成形(鍛壓)過程中涉及到的物理本質(zhì)及基本規(guī)律；闡明了各類成形方法的基礎(chǔ)理論及原理；揭示了成形過程中影響材質(zhì)和制件性能的因素及缺陷形成的機(jī)理[1-4]。其教學(xué)目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生對材料成形的基本原理及成形過程有實(shí)質(zhì)性的理解；能從本質(zhì)上認(rèn)識和分析材料成形過程中的實(shí)際問題和提出解決問題的方法；為今后學(xué)習(xí)材料成形工藝學(xué)，從事材料成形專業(yè)技術(shù)工作、提高成形制件質(zhì)量，開發(fā)新材料、探索新技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。為了使學(xué)生理解并掌握好材料成形原理這門專業(yè)基礎(chǔ)課，結(jié)合我院材料成型及控制工程專業(yè)的實(shí)際教學(xué)情況及筆者切身經(jīng)歷，談?wù)勗诮虒W(xué)改革中的嘗試。

1 教學(xué)內(nèi)容改革

《材料成形原理》這門課程的學(xué)生此前已經(jīng)學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)，材料力學(xué)，材料科學(xué)基礎(chǔ)，工程材料，材料物理化學(xué)等基礎(chǔ)課程，具有一定的知識儲(chǔ)備。本課程有機(jī)的整合了液態(tài)成形、塑性成形、連接成形中共性的部分，對個(gè)性部分有選擇性的進(jìn)行了闡述。如在液態(tài)成形中，重點(diǎn)介紹了液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，凝固熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)，鑄件凝固組織的形成與控制，液態(tài)成形的溫度場及凝固時(shí)間的計(jì)算。在塑性成形中，重點(diǎn)介紹了金屬塑性加工過程中組織和性能變化的基本規(guī)律，金屬在塑性加工過程中的塑性行為，塑性成形力學(xué)基礎(chǔ)及屈服準(zhǔn)則；在連接成形中，重點(diǎn)介紹了焊接溫度場熱傳導(dǎo)方程，電弧焊的溫度場及其數(shù)學(xué)模型，焊接熱影響區(qū)的組織與性能變化特點(diǎn)及規(guī)律。重點(diǎn)理解金屬材料成分及工藝方法決定材料組織特點(diǎn)，材料的組織形態(tài)決定材料性能。通過成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，工藝方法的合理改進(jìn)來獲得優(yōu)質(zhì)的制件。授課內(nèi)容豐富，既注重理論分析，更強(qiáng)調(diào)實(shí)際工程應(yīng)用。經(jīng)與本專業(yè)授課教師充分交流，盡量避免了專業(yè)課內(nèi)容的重復(fù)。

2 教學(xué)方法改革

隨著科技快速發(fā)展，多媒體教學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于課程教學(xué)當(dāng)中，由于形式多樣的圖片、動(dòng)畫等元素豐富了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量[5]。然而，單一的采用多媒體教學(xué)的不足也日漸凸顯，如課程信息量加大，授課進(jìn)度加快，學(xué)生記憶跟不上等，影響了教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，材料成形原理專業(yè)課的基礎(chǔ)原理及理論公示推導(dǎo)較多，易導(dǎo)致學(xué)生思維疲勞，傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)手段可能無法完全滿足于此。因此，筆者引入了一些新的教學(xué)方法，這樣不僅能夠改善傳統(tǒng)的教學(xué)模式，還能激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.1 案列教學(xué)法

根據(jù)筆者以往在航空制造企業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合《材料成形原理》課程的教學(xué)目標(biāo)，就液態(tài)成形而言，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室TC4鑄件為例。對TC4鑄件的結(jié)構(gòu)及尺寸精度進(jìn)行初步分析，因其尺寸精度要求高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故采用熔模鑄造的方法進(jìn)行澆注成形。列舉了TC4鑄件在鑄造過程中出現(xiàn)的縮孔、縮松、氣孔、夾砂等鑄造缺陷產(chǎn)生的部位，并分析了缺陷形成原因以及后續(xù)工藝的改進(jìn)措施。如在鑄件的熱節(jié)處形成了縮孔，后續(xù)合理應(yīng)用冷鐵和補(bǔ)貼等工藝措施可減小縮孔的尺寸，鑄件成形后利用同材質(zhì)的焊絲氬弧焊補(bǔ)焊來解決縮孔問題。在塑性成形方面，向?qū)W生介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)GH5188側(cè)板的拉伸成形工藝過程，由于側(cè)板的總變形量較大，僅采用一次成形可能導(dǎo)致零件變形量過大，加工硬化嚴(yán)重而開裂，因此分三次對側(cè)板進(jìn)行拉伸成形，每次拉伸變形量相對較?。徊⒃诿看纬尚魏笤谠俳Y(jié)晶溫度以上選擇合適的加熱溫度與保溫時(shí)間進(jìn)行真空去應(yīng)力退火，以軟化金屬組織，恢復(fù)塑性。最后向?qū)W生介紹了板料拉伸成形前后的清洗，潤滑，表面處理等輔助工序，以確保零件成形質(zhì)量。通過此次講解，學(xué)生對金屬塑性變形的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)、變形機(jī)理及影響因素等有了更深的認(rèn)識。在連接成形方面，向?qū)W生講解了GH3536航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片真空釬焊工藝過程，首選是焊前的準(zhǔn)備工作，即用砂紙丙酮等去除發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面的氧化皮及油污，尤其是焊縫及距焊縫10 mm范圍內(nèi)的區(qū)域；其次對葉片進(jìn)行裝配和固定，確保葉片在釬焊過程中不發(fā)生錯(cuò)位等現(xiàn)象；并在焊縫位置進(jìn)行釬料預(yù)置，按需涂抹阻流劑，確保釬料在復(fù)雜焊縫中獲得理想的走向；并將處理好的葉片放在真空釬焊爐中，選擇釬焊溫度(1050±5)℃、保溫時(shí)間15～20 min及0.8～1 bar充氣壓力等工藝參數(shù)進(jìn)行真空釬焊；待焊件冷卻后出爐，最后對焊縫進(jìn)行清理和打磨。通過對真空釬焊工藝過程的詳細(xì)介紹，切實(shí)讓學(xué)生了解到真空釬焊工藝無氧化、污染等現(xiàn)象以及焊件整體均勻受熱，熱應(yīng)力小，變形小，適合精密產(chǎn)品的焊接等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在焊接工藝操作時(shí)，焊接件污染源的清除與防治，焊接接頭組織性能的不均勻性，焊接殘余應(yīng)力和變形的特點(diǎn)及防治，焊接缺陷的檢驗(yàn)以及焊接結(jié)構(gòu)的制造等問題對后續(xù)能否獲得優(yōu)質(zhì)焊件有著極其重要的影響。

2.2 討論教學(xué)法

在教學(xué)過程中，如一未的采用傳統(tǒng)的填鴨式的教學(xué)方法[6]，即老師講學(xué)生聽，這樣教學(xué)效果不僅差，還會(huì)使學(xué)生對專業(yè)課喪失興趣，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，不利于培養(yǎng)專業(yè)高素質(zhì)人才?！恫牧铣尚卧怼愤@門課程中，有大量的基礎(chǔ)原理及理論公式，要求學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行公示推導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生相互之間主動(dòng)交流探討。比如在講授液態(tài)金屬均勻形核與非均勻形核功時(shí)，讓學(xué)生在理解理論模型的基礎(chǔ)上，分小組進(jìn)行討論，采用多思路求解液態(tài)金屬形核過程中的體積自由能與表面自由能，進(jìn)而計(jì)算出液態(tài)金屬形核功；再此基礎(chǔ)上，通過對均勻形核與非均勻形核過程中形核功、形核率及臨界過冷度的對比分析，加深學(xué)生對均勻形核與非均勻形核形核本質(zhì)的理解。以加分的形式鼓勵(lì)學(xué)生積極上講臺展示自己的推導(dǎo)思路及過程，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的自信心及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對理論課程的進(jìn)一步補(bǔ)充與完善，在《材料成形原理》這門課程中，開設(shè)了兩次實(shí)驗(yàn)課，主要講解液態(tài)金屬的流動(dòng)性及焊接缺陷的產(chǎn)生及檢測。比如液態(tài)金屬流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)課，首先讓學(xué)生用原砂(140/100號)加入適量粘土和水混制成濕型砂，并用模樣制成上、下砂型，合箱后等待澆注。用電阻爐熔化指定成分的鋁合金，當(dāng)鋁液升溫至730～750 ℃時(shí)，用氯化鋅或六氯乙烷精煉，以去除氣體和雜質(zhì)。隨后立即清除熔渣并使金屬液靜置1～2 min后進(jìn)行澆注。待鑄件凝固成形后，開箱清砂，最后待試樣冷卻后測量其螺旋線長度，并記錄實(shí)測數(shù)據(jù)。通過本次液態(tài)鋁合金流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生直觀的了解合金種類，澆注溫度對液態(tài)金屬的流動(dòng)性、充型能力及鑄造缺陷的影響機(jī)理。在焊接缺陷的產(chǎn)生及檢測實(shí)驗(yàn)課，由于學(xué)生在金工實(shí)習(xí)時(shí)已有操作電弧焊機(jī)及線切割設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，因此本次實(shí)驗(yàn)課讓學(xué)生自己動(dòng)手操作電弧焊機(jī)進(jìn)行焊接。結(jié)合本課程中的理論知識與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇焊接參數(shù)，并將兩塊厚度為5 mm的45鋼板進(jìn)行電弧對接焊，獲得的焊縫通過線切割設(shè)備切割成10 mm×10 mm小方塊，采用鑲樣機(jī)獲得金相試樣，最后在OLYMPUS金相顯微鏡下進(jìn)行焊接缺陷的觀察與分析。通過讓學(xué)生自己動(dòng)手操作各類設(shè)備，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也會(huì)發(fā)現(xiàn)并解決一些實(shí)際工程應(yīng)用問題(如在焊接時(shí)的起弧困難，線切割時(shí)由于雜質(zhì)等不導(dǎo)電物質(zhì)引起的斷絲，焊接缺陷如氣孔及裂紋的產(chǎn)生等)，為培養(yǎng)材料成型及控制工程專業(yè)技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。

3 課程考核方式改革

課程考核是教學(xué)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，不僅考察學(xué)生對課程的理解與掌握情況，同時(shí)也是教師進(jìn)行自我檢查教學(xué)效果，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)而改善教學(xué)方法的一個(gè)重要途徑。若僅僅采用單一的閉卷考試的考核方式，容易導(dǎo)致部分學(xué)生在臨近考試前短時(shí)間內(nèi)大量記憶知識，考試結(jié)束后很快遺忘，這不利于理解和掌握專業(yè)課程，也不利于學(xué)生的工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)與形成。因此探索能夠真正體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識及創(chuàng)新能力的考核方式十分必要。本課程采用多元化的考核方法，其中期末考試成績占比60%，平時(shí)成績占比30%，實(shí)驗(yàn)成績占比10%。平時(shí)成績包含出勤，課堂作業(yè)，課堂問答，課后作業(yè)。同時(shí)，以加平時(shí)成績的形式鼓勵(lì)學(xué)生課后查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，上課期間積極提出并解決問題。通過考核方式的改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自信心。

4 結(jié) 語

《材料成形原理作》為材料成型及控制工程專業(yè)基礎(chǔ)理論課。筆者經(jīng)過近年的教學(xué)實(shí)踐與探索，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核形式。同時(shí)加強(qiáng)與學(xué)生及本專業(yè)教師的溝通，在師生共同努力下，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、寬口徑[7]的高素質(zhì)專業(yè)人才，滿足行業(yè)對專業(yè)人才的需求。