机械合金化工程材料在机电一体化课程教学中的应用

穆海芳，张 丽

（1.宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000；2.临沂市科技馆，山东 临沂 276037）

机械合金化工程材料在机电一体化课程教学中的应用

穆海芳1，张 丽2

（1.宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000；2.临沂市科技馆，山东 临沂 276037）

为了更好地在机电一体化课程中培养学生的专业技术能力和职业综合素质，本文阐述了机电一体化教学内容改革的必要性，提出在教学内容上增加机械工程材料课程内容的比重，在机电一体化实验课程中增加机械合金化实验项目，利用机械合金化工艺制备新材料，促进了机电一体化教学内容和方式的改变.

机电一体化；工程机械材料；机械合金化

绪论

《机电一体化》是一门实践性和综合性都很强的课程.该课程过去侧重于从“系统”的角度出发，对机械系统的元、部件和微机控制系统的元(器)件的工作原理、特点、选用原则与选用方法进行论述，重点从机电有机结合(机电一体化)的角度，对系统(产品)的稳态设计与动态设计方法做详细介绍.机械本身要从提高性能和精度、减少重量等几方面考虑[1-3].因为只有机械本体重量减轻，才有可能设计小型的驱动系统，改善系统的快速响应特性，减少能耗，提高效率[4-5].为了做到这几点，除了在机械结构上加以优化，还可以替换使用的材料.因此，不论是机械系统还是电气系统，材料选用的好坏最终影响着机电一体化产品的优劣.本文提出在机电一体化实验课程中增加机械合金化实验项目，把机械合金化工艺引入到机电一体化实验课程中，利用机械合金化工艺制备新的合金材料，希望能够促进机电一体化的教学改革.

1 教学内容

1.1合理设计教学内容

机电一体化是融合机械技术、信息技术、电子技术、自动控制技术、传感器与检测技术、伺服驱动技术、系统工程等多种技术于一体的新兴综合性学科，内容多，涉及面广，综合性强，因此，因此根据教学大纲要求，精选教学内容，制定合理的教学计划，以达到最佳的教学效果[6].目前大多数机械工程材料课程的讲授都是以金属材料为主线，包括它的组织结构、化学成分、工艺流程等[7].

作为教师要认清这种形势，机械工程材料在机电一体化系统设计的环节中哪些方面能用的到，在教学过程中，教师要科学合理设置教学内容，根据机电一体化系统设计的特点展开教学.而不能以偏概全，讲授机械工程材料课程的所有内容，反而体现不了机电一体化课程的特点[8].

如在讲机械系统导向支承部件的选择与设计时，选择导轨副材料很重要，可以首先介绍常用的导轨材料，如钢、铸铁、非铁金属等.然后分别说明各种材料制成的导轨各有什么特点，包括它的耐磨性、抗振性、热稳定性，加工工艺等等.最后在实验课程中引入机械合金化工艺制备常用的材料或者一些新材料.

1.2机械合金化知识

机械合金化技术是近年来发展起来的一种高性能制备新材料的新技术.这种技术主要是使用一个高能球磨机，把一定比例的两种或两种以上的进行机械混合，在球磨机中运转一定的时间，金属粉末在磨球的反复冲击、剪切、摩擦和压缩等多种作用力下，经过挤压、冷焊以及粉碎的过程，把机械能传递给金属粉末，最终得到合金粉体.机械合金的进程及最终产物受一系列工艺参数的影响，经常研究的工艺参数有球料比、球磨速度、球磨温度、磨球材料、过程控制剂、球磨容器填充率和保护气体等[9].

对机械合金化制备的样品进行测试经常使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、以及热分析扫描仪等.扫描电子显微镜（SEM）用来观察粉末形状结构，X射线衍射仪（XRD）用来观察粉末的合金化过程[10]，显微硬度计用来测量材料的维氏硬度，利用透射电镜对粉末进行微观形貌分析以及斑点衍射分析，采样综合热分析仪（TG-DTA-MS）、激光热导仪、热膨胀仪等对粉末热稳定性进行研究，采用万能力学性能试验机、韦氏硬度计等对粉末的密度、抗弯强度、弹性模量、断裂韧性、硬度进行分析测试.

2 教学方法

2.1体现工程性

在机电一体化课程中接触到的金属材料在结构、性能、制备工艺等方面有很大的区别，增加机械工程材料的内容，主要目的是选择更好的材料设计更好的机电一体化产品.对于机械类专业的学生，在安排课程内容时，应以机械性能为主，给出常用工程材料的力学性能指标及适用领域，因为机械类学生在工程材料方面更关注的是材料力学的相关知识和和应用.在基于力学性能的基础上，参考制备工艺性，设计出机电一体化产品.例如在介绍典型的机电一体化系统时，要联系一个真实的机电一体化产品，介绍它的设计思想，制造过程、所用材料及目前的使用情况等等.

2.2强调操作性

在实验课程中引入的机械合金化工艺，要强调其操作和结果分析.例如本次实验在KQM-X4/B型行星球磨机上进行，球磨罐及磨球材质为OCrl8NigTi不锈钢，使用的是直径分别是10mm和6mm两种，总质量为600g的磨球.采用分析天平称量精确到0.1mg的元素粉末，按照一定的顺序放入球磨罐中，将球磨罐密封后抽真空，然后充入氩气，如此反复3次，以保证罐内空气排尽，为的是尽量避免球磨过程中粉末的氧化.球磨机运转结束后，取粉并加入过程控制剂乙醇洗罐，2h后清洗、烘干.工艺流程如图1所示：

机械合金化密封、充氮气取粉并称量其质量、洗罐称量粉末质量、配粉(精确至0.1mg)

基于影响机械合金化的因素分析，制定了本实验的结果分析方案：

（1）借助实验手段及分析测试方法，考察球磨工艺参数，如球料比、球磨时间、球磨机转速与粉末颗粒粒度及粉末微观结构的演变之间的关系，深入分析合金化的机理；

（2）采用X射线衍射分析合金化过程，用扫描电子显微镜观察合金粉末的组织结构.

（3）采用差示扫描量热分析(DSC)进行恒速升温或等温，使非晶态合金晶化，记录晶化过程中的热量变化，得到各个合金系的DSC曲线.通过测量玻璃转变和晶化过程中的温度变化推算出其晶化过程行为，从而研究晶化过程的动力学特性和热力学性质.

（4）硬度测试是在HVS-1000型数显硬度仪上进行的，载荷力为200gf，载荷时间为10s.为保证数据的准确性，要求测试样品表面平整和光洁，在不同的位置测量五次，然后取平均值.

机械性能测试实验是在Instron5500型万能材料实验机上进行的，该实验机最大载荷为5t，测量时尽量保证两个端面相互平行且垂直于轴线，压缩实验样品采用直径为2mm，长径比为1.5-2.5之间的圆柱形样品.其抗压强度σ和相对压缩率ε的计算公式分别为：

式中：h0－样品的原有长度；

h－样品遭压缩破坏时的长度；

p－压缩过程中的样品所能承受的最大载荷(N)；

S0－样品的原始截面积(m2).

（5）热力学分析晶化动力学参数是通过差热分析仪(DTA)或差示扫描量热计(DSC)所获得的热分析曲线数据计算出来的，全局晶化激活能的计算方法为Kissinger峰移法；其表达式如下：

式中，β是连续加热时的升温速度(K/min)；

R是玻尔兹曼气体常数（8.3145J/K*mol）；

E是晶化激活能（KJ/mol）;

T代表特征温度(K)，可以是晶化开始温度Tx、峰值温度Tp或玻璃转变温度Tg.

式中ln(T2/β)与1/T成正比，其关系曲线为一条斜率为E/R的直线，它代表了非晶合金晶化过程的激活能.

(6)探讨合金化产物与工艺条件的关系，对磨球的碰撞行为与粉末的变形方面展开理论基础研究，通过合金化动力学计算，优化合金化工艺，提高MA效率.

结论

本文探讨机电一体化课程的教学改革，把机械工程材料相关内容补充到课程内容中，在实验课程中引入机械合金化的实验内容，扩大学生的知识面，使学生真正吸收课程内容，掌握机电一体化领域的知识和技能.通过典型的机械合金化工艺制备新材料，丰富了实验课的内容，加强了工程材料相关内容的认识，让学生认知机电一体化技术的学习领域，使学习过程具体化，提升学生对机电一体化专业的学习热情.

〔1〕张燕,史留勇,刘世豪.基于社会需求的机电一体化专业实验教学改革[J].中国电力教育,2014（29）:75-76.

〔2〕李天景,贲能军,陈安柱,钱宗仁.机电一体化课程设计教学改革[J].科教导刊(下旬),2015（03）:105-106.

〔3〕李智.机电一体化技术构建下的专业课程教学改革探讨[J].电子制作,2015（05）:208.

〔4〕李彬,杨斌,张敏.机电一体化专业实践教学体系研究[J].技术与市场,2013（05）:349-350.

〔5〕刘凯.谈机电一体化专业“理实一体化”教学模式改革[J].辽宁高职学报,2013（05）:3-5.

〔6〕张有强,罗树丽,周岭.机械工程材料课程教学探讨[J].中国现代教育装备,2013（03）:56-58.

〔7〕栗慧.“机械工程材料”课程的教学改革[J].常州工学院学报,2013（Z1）:90-93.

〔8〕于东林,姜峰,高路.工程材料及机械制造基础课程立体化教学与改革的探讨[J].化工高等教育,2014（02）:58-61.

〔9〕江涛,吕巧飞,张维娜,李帅.机械合金化技术在材料科学专业教学实践中的研究和探讨 [J].人力资源管理,2013（11）:180-181.

〔10〕江涛,吕巧飞,张维娜,李帅,鄢南平,刘乐.粉末冶金技术在材料科学与工程专业教学实践中的研究和讨论[J].人力资源管理,2014（04）:182-183.

G642.0

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1673-260X（2015）12-0225-02

机电一体化工程项目教学模式探讨（szxyjyxm201310）