《材料成形原理》课程教学改革探索

2020-03-07安旭光辛成来王小炼

广州化工 2020年10期

黄林，安旭光，辛成来，王小炼

(成都大学机械工程学院，四川成都 610106)

《材料成形原理》是材料成型及控制工程专业重要的基础必修课。本课程重点介绍了液态成形(铸造)、连接成型(焊接)、塑性成形(锻压)过程中涉及到的物理本质及基本规律；阐明了各类成形方法的基础理论及原理；揭示了成形过程中影响材质和制件性能的因素及缺陷形成的机理[1-4]。其教学目标是通过本课程的学习使学生对材料成形的基本原理及成形过程有实质性的理解；能从本质上认识和分析材料成形过程中的实际问题和提出解决问题的方法；为今后学习材料成形工艺学，从事材料成形专业技术工作、提高成形制件质量，开发新材料、探索新技术奠定坚实的理论基础。为了使学生理解并掌握好材料成形原理这门专业基础课，结合我院材料成型及控制工程专业的实际教学情况及笔者切身经历，谈谈在教学改革中的尝试。

1 教学内容改革

《材料成形原理》这门课程的学生此前已经学习了高等数学，材料力学，材料科学基础，工程材料，材料物理化学等基础课程，具有一定的知识储备。本课程有机的整合了液态成形、塑性成形、连接成形中共性的部分，对个性部分有选择性的进行了阐述。如在液态成形中，重点介绍了液态金属的结构和性质，凝固热力学及动力学，铸件凝固组织的形成与控制，液态成形的温度场及凝固时间的计算。在塑性成形中，重点介绍了金属塑性加工过程中组织和性能变化的基本规律，金属在塑性加工过程中的塑性行为，塑性成形力学基础及屈服准则；在连接成形中，重点介绍了焊接温度场热传导方程，电弧焊的温度场及其数学模型，焊接热影响区的组织与性能变化特点及规律。重点理解金属材料成分及工艺方法决定材料组织特点，材料的组织形态决定材料性能。通过成分的优化设计，工艺方法的合理改进来获得优质的制件。授课内容丰富，既注重理论分析，更强调实际工程应用。经与本专业授课教师充分交流，尽量避免了专业课内容的重复。

2 教学方法改革

随着科技快速发展，多媒体教学已经广泛应用于课程教学当中，由于形式多样的图片、动画等元素丰富了教学内容，激发学生的兴趣，提高了教学质量[5]。然而，单一的采用多媒体教学的不足也日渐凸显，如课程信息量加大，授课进度加快，学生记忆跟不上等，影响了教学质量。同时，材料成形原理专业课的基础原理及理论公示推导较多，易导致学生思维疲劳，传统的多媒体教学手段可能无法完全满足于此。因此，笔者引入了一些新的教学方法，这样不仅能够改善传统的教学模式，还能激发学生兴趣，提高学生学习的积极性。

2.1 案列教学法

根据笔者以往在航空制造企业的工作经验，结合《材料成形原理》课程的教学目标，就液态成形而言，以航空发动机燃烧室TC4铸件为例。对TC4铸件的结构及尺寸精度进行初步分析，因其尺寸精度要求高，结构较为复杂，故采用熔模铸造的方法进行浇注成形。列举了TC4铸件在铸造过程中出现的缩孔、缩松、气孔、夹砂等铸造缺陷产生的部位，并分析了缺陷形成原因以及后续工艺的改进措施。如在铸件的热节处形成了缩孔，后续合理应用冷铁和补贴等工艺措施可减小缩孔的尺寸，铸件成形后利用同材质的焊丝氩弧焊补焊来解决缩孔问题。在塑性成形方面，向学生介绍了航空发动机GH5188侧板的拉伸成形工艺过程，由于侧板的总变形量较大，仅采用一次成形可能导致零件变形量过大，加工硬化严重而开裂，因此分三次对侧板进行拉伸成形，每次拉伸变形量相对较小；并在每次成形后在再结晶温度以上选择合适的加热温度与保温时间进行真空去应力退火，以软化金属组织，恢复塑性。最后向学生介绍了板料拉伸成形前后的清洗，润滑，表面处理等辅助工序，以确保零件成形质量。通过此次讲解，学生对金属塑性变形的组织转变特点、变形机理及影响因素等有了更深的认识。在连接成形方面，向学生讲解了GH3536航空发动机涡轮叶片真空钎焊工艺过程，首选是焊前的准备工作，即用砂纸丙酮等去除发动机叶片表面的氧化皮及油污，尤其是焊缝及距焊缝10 mm范围内的区域；其次对叶片进行装配和固定，确保叶片在钎焊过程中不发生错位等现象；并在焊缝位置进行钎料预置，按需涂抹阻流剂，确保钎料在复杂焊缝中获得理想的走向；并将处理好的叶片放在真空钎焊炉中，选择钎焊温度(1050±5)℃、保温时间15～20 min及0.8～1 bar充气压力等工艺参数进行真空钎焊；待焊件冷却后出炉，最后对焊缝进行清理和打磨。通过对真空钎焊工艺过程的详细介绍，切实让学生了解到真空钎焊工艺无氧化、污染等现象以及焊件整体均匀受热，热应力小，变形小，适合精密产品的焊接等优点。同时在焊接工艺操作时，焊接件污染源的清除与防治，焊接接头组织性能的不均匀性，焊接残余应力和变形的特点及防治，焊接缺陷的检验以及焊接结构的制造等问题对后续能否获得优质焊件有着极其重要的影响。

2.2 讨论教学法

在教学过程中，如一未的采用传统的填鸭式的教学方法[6]，即老师讲学生听，这样教学效果不仅差，还会使学生对专业课丧失兴趣，难以调动学生学习的积极性，不利于培养专业高素质人才。《材料成形原理》这门课程中，有大量的基础原理及理论公式，要求学生自己动手进行公示推导，并鼓励学生相互之间主动交流探讨。比如在讲授液态金属均匀形核与非均匀形核功时，让学生在理解理论模型的基础上，分小组进行讨论，采用多思路求解液态金属形核过程中的体积自由能与表面自由能，进而计算出液态金属形核功；再此基础上，通过对均匀形核与非均匀形核过程中形核功、形核率及临界过冷度的对比分析，加深学生对均匀形核与非均匀形核形核本质的理解。以加分的形式鼓励学生积极上讲台展示自己的推导思路及过程，进而激发学生学习的积极性，提高了学生的自信心及团队协作能力。

2.3 实验教学法

实验教学是对理论课程的进一步补充与完善，在《材料成形原理》这门课程中，开设了两次实验课，主要讲解液态金属的流动性及焊接缺陷的产生及检测。比如液态金属流动性实验课，首先让学生用原砂(140/100号)加入适量粘土和水混制成湿型砂，并用模样制成上、下砂型，合箱后等待浇注。用电阻炉熔化指定成分的铝合金，当铝液升温至730～750 ℃时，用氯化锌或六氯乙烷精炼，以去除气体和杂质。随后立即清除熔渣并使金属液静置1～2 min后进行浇注。待铸件凝固成形后，开箱清砂，最后待试样冷却后测量其螺旋线长度，并记录实测数据。通过本次液态铝合金流动性实验，使学生直观的了解合金种类，浇注温度对液态金属的流动性、充型能力及铸造缺陷的影响机理。在焊接缺陷的产生及检测实验课，由于学生在金工实习时已有操作电弧焊机及线切割设备的经验，因此本次实验课让学生自己动手操作电弧焊机进行焊接。结合本课程中的理论知识与经验数据选择焊接参数，并将两块厚度为5 mm的45钢板进行电弧对接焊，获得的焊缝通过线切割设备切割成10 mm×10 mm小方块，采用镶样机获得金相试样，最后在OLYMPUS金相显微镜下进行焊接缺陷的观察与分析。通过让学生自己动手操作各类设备，不仅能培养学生的实践动手能力，激发学生的学习兴趣。同时学生在实验过程中也会发现并解决一些实际工程应用问题(如在焊接时的起弧困难，线切割时由于杂质等不导电物质引起的断丝，焊接缺陷如气孔及裂纹的产生等)，为培养材料成型及控制工程专业技术人才奠定基础。

3 课程考核方式改革

课程考核是教学过程中的一个重要环节，不仅考察学生对课程的理解与掌握情况，同时也是教师进行自我检查教学效果，总结教学经验进而改善教学方法的一个重要途径。若仅仅采用单一的闭卷考试的考核方式，容易导致部分学生在临近考试前短时间内大量记忆知识，考试结束后很快遗忘，这不利于理解和掌握专业课程，也不利于学生的工程实践能力的培养与形成。因此探索能够真正体现学生应用专业知识及创新能力的考核方式十分必要。本课程采用多元化的考核方法，其中期末考试成绩占比60%，平时成绩占比30%，实验成绩占比10%。平时成绩包含出勤，课堂作业，课堂问答，课后作业。同时，以加平时成绩的形式鼓励学生课后查阅相关文献资料，上课期间积极提出并解决问题。通过考核方式的改革，激发学生的学习的积极性与主动性，培养学生的学习兴趣，提高学生自信心。