機械合金化工程材料在機電一體化課程教學中的應用

穆海芳，張 麗

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

機械合金化工程材料在機電一體化課程教學中的應用

穆海芳1，張 麗2

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

為了更好地在機電一體化課程中培養學生的專業技術能力和職業綜合素質，本文闡述了機電一體化教學內容改革的必要性，提出在教學內容上增加機械工程材料課程內容的比重，在機電一體化實驗課程中增加機械合金化實驗項目，利用機械合金化工藝制備新材料，促進了機電一體化教學內容和方式的改變.

機電一體化；工程機械材料；機械合金化

緒論

《機電一體化》是一門實踐性和綜合性都很強的課程.該課程過去側重于從“系統”的角度出發，對機械系統的元、部件和微機控制系統的元(器)件的工作原理、特點、選用原則與選用方法進行論述，重點從機電有機結合(機電一體化)的角度，對系統(產品)的穩態設計與動態設計方法做詳細介紹.機械本身要從提高性能和精度、減少重量等幾方面考慮[1-3].因為只有機械本體重量減輕，才有可能設計小型的驅動系統，改善系統的快速響應特性，減少能耗，提高效率[4-5].為了做到這幾點，除了在機械結構上加以優化，還可以替換使用的材料.因此，不論是機械系統還是電氣系統，材料選用的好壞最終影響著機電一體化產品的優劣.本文提出在機電一體化實驗課程中增加機械合金化實驗項目，把機械合金化工藝引入到機電一體化實驗課程中，利用機械合金化工藝制備新的合金材料，希望能夠促進機電一體化的教學改革.

1 教學內容

1.1合理設計教學內容

機電一體化是融合機械技術、信息技術、電子技術、自動控制技術、傳感器與檢測技術、伺服驅動技術、系統工程等多種技術于一體的新興綜合性學科，內容多，涉及面廣，綜合性強，因此，因此根據教學大綱要求，精選教學內容，制定合理的教學計劃，以達到最佳的教學效果[6].目前大多數機械工程材料課程的講授都是以金屬材料為主線，包括它的組織結構、化學成分、工藝流程等[7].

作為教師要認清這種形勢，機械工程材料在機電一體化系統設計的環節中哪些方面能用的到，在教學過程中，教師要科學合理設置教學內容，根據機電一體化系統設計的特點展開教學.而不能以偏概全，講授機械工程材料課程的所有內容，反而體現不了機電一體化課程的特點[8].

如在講機械系統導向支承部件的選擇與設計時，選擇導軌副材料很重要，可以首先介紹常用的導軌材料，如鋼、鑄鐵、非鐵金屬等.然后分別說明各種材料制成的導軌各有什么特點，包括它的耐磨性、抗振性、熱穩定性，加工工藝等等.最后在實驗課程中引入機械合金化工藝制備常用的材料或者一些新材料.

1.2機械合金化知識

機械合金化技術是近年來發展起來的一種高性能制備新材料的新技術.這種技術主要是使用一個高能球磨機，把一定比例的兩種或兩種以上的進行機械混合，在球磨機中運轉一定的時間，金屬粉末在磨球的反復沖擊、剪切、摩擦和壓縮等多種作用力下，經過擠壓、冷焊以及粉碎的過程，把機械能傳遞給金屬粉末，最終得到合金粉體.機械合金的進程及最終產物受一系列工藝參數的影響，經常研究的工藝參數有球料比、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氣體等[9].

對機械合金化制備的樣品進行測試經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）用來觀察粉末形狀結構，X射線衍射儀（XRD）用來觀察粉末的合金化過程[10]，顯微硬度計用來測量材料的維氏硬度，利用透射電鏡對粉末進行微觀形貌分析以及斑點衍射分析，采樣綜合熱分析儀（TG-DTA-MS）、激光熱導儀、熱膨脹儀等對粉末熱穩定性進行研究，采用萬能力學性能試驗機、韋氏硬度計等對粉末的密度、抗彎強度、彈性模量、斷裂韌性、硬度進行分析測試.

2 教學方法

2.1體現工程性

在機電一體化課程中接觸到的金屬材料在結構、性能、制備工藝等方面有很大的區別，增加機械工程材料的內容，主要目的是選擇更好的材料設計更好的機電一體化產品.對于機械類專業的學生，在安排課程內容時，應以機械性能為主，給出常用工程材料的力學性能指標及適用領域，因為機械類學生在工程材料方面更關注的是材料力學的相關知識和和應用.在基于力學性能的基礎上，參考制備工藝性，設計出機電一體化產品.例如在介紹典型的機電一體化系統時，要聯系一個真實的機電一體化產品，介紹它的設計思想，制造過程、所用材料及目前的使用情況等等.

2.2強調操作性

在實驗課程中引入的機械合金化工藝，要強調其操作和結果分析.例如本次實驗在KQM-X4/B型行星球磨機上進行，球磨罐及磨球材質為OCrl8NigTi不銹鋼，使用的是直徑分別是10mm和6mm兩種，總質量為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3次，以保證罐內空氣排盡，為的是盡量避免球磨過程中粉末的氧化.球磨機運轉結束后，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：

機械合金化密封、充氮氣取粉并稱量其質量、洗罐稱量粉末質量、配粉(精確至0.1mg)

基于影響機械合金化的因素分析，制定了本實驗的結果分析方案：

（1）借助實驗手段及分析測試方法，考察球磨工藝參數，如球料比、球磨時間、球磨機轉速與粉末顆粒粒度及粉末微觀結構的演變之間的關系，深入分析合金化的機理；

（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構.

（3）采用差示掃描量熱分析(DSC)進行恒速升溫或等溫，使非晶態合金晶化，記錄晶化過程中的熱量變化，得到各個合金系的DSC曲線.通過測量玻璃轉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力學特性和熱力學性質.

（4）硬度測試是在HVS-1000型數顯硬度儀上進行的，載荷力為200gf，載荷時間為10s.為保證數據的準確性，要求測試樣品表面平整和光潔，在不同的位置測量五次，然后取平均值.

機械性能測試實驗是在Instron5500型萬能材料實驗機上進行的，該實驗機最大載荷為5t，測量時盡量保證兩個端面相互平行且垂直于軸線，壓縮實驗樣品采用直徑為2mm，長徑比為1.5-2.5之間的圓柱形樣品.其抗壓強度σ和相對壓縮率ε的計算公式分別為：

式中：h0－樣品的原有長度；

h－樣品遭壓縮破壞時的長度；

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）熱力學分析晶化動力學參數是通過差熱分析儀(DTA)或差示掃描量熱計(DSC)所獲得的熱分析曲線數據計算出來的，全局晶化激活能的計算方法為Kissinger峰移法；其表達式如下：

式中，β是連續加熱時的升溫速度(K/min)；

R是玻爾茲曼氣體常數（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或玻璃轉變溫度Tg.

式中ln(T2/β)與1/T成正比，其關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)探討合金化產物與工藝條件的關系，對磨球的碰撞行為與粉末的變形方面展開理論基礎研究，通過合金化動力學計算，優化合金化工藝，提高MA效率.

結論

本文探討機電一體化課程的教學改革，把機械工程材料相關內容補充到課程內容中，在實驗課程中引入機械合金化的實驗內容，擴大學生的知識面，使學生真正吸收課程內容，掌握機電一體化領域的知識和技能.通過典型的機械合金化工藝制備新材料，豐富了實驗課的內容，加強了工程材料相關內容的認識，讓學生認知機電一體化技術的學習領域，使學習過程具體化，提升學生對機電一體化專業的學習熱情.

〔1〕張燕,史留勇,劉世豪.基于社會需求的機電一體化專業實驗教學改革[J].中國電力教育,2014（29）:75-76.

〔2〕李天景,賁能軍,陳安柱,錢宗仁.機電一體化課程設計教學改革[J].科教導刊(下旬),2015（03）:105-106.

〔3〕李智.機電一體化技術構建下的專業課程教學改革探討[J].電子制作,2015（05）:208.

〔4〕李彬,楊斌,張敏.機電一體化專業實踐教學體系研究[J].技術與市場,2013（05）:349-350.

〔5〕劉凱.談機電一體化專業“理實一體化”教學模式改革[J].遼寧高職學報,2013（05）:3-5.

〔6〕張有強,羅樹麗,周嶺.機械工程材料課程教學探討[J].中國現代教育裝備,2013（03）:56-58.

〔7〕栗慧.“機械工程材料”課程的教學改革[J].常州工學院學報,2013（Z1）:90-93.

〔8〕于東林,姜峰,高路.工程材料及機械制造基礎課程立體化教學與改革的探討[J].化工高等教育,2014（02）:58-61.

〔9〕江濤,呂巧飛,張維娜,李帥.機械合金化技術在材料科學專業教學實踐中的研究和探討 [J].人力資源管理,2013（11）:180-181.

〔10〕江濤,呂巧飛,張維娜,李帥,鄢南平,劉樂.粉末冶金技術在材料科學與工程專業教學實踐中的研究和討論[J].人力資源管理,2014（04）:182-183.

G642.0

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1673-260X（2015）12-0225-02

機電一體化工程項目教學模式探討（szxyjyxm201310）