多學科技術有機結合的材料成形專業(yè)大型綜合實驗設計

鮮 廣， 杜 昊， 趙海波， 范洪遠， 郭智興， 孫 蘭

(四川大學 制造科學與工程學院， 成都 610065)

0 引 言

實踐性教學作為工科教學過程的重要組成部分，在高校培養(yǎng)應用型、研究型和綜合型人才中的作用得到了充分認證。培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和工程實踐能力的專業(yè)性人才已成為高校特別是工科院校的重要使命[1-3]。材料成形及控制工程專業(yè)是一種包含有多種材料成形技術的代表性工科專業(yè)[4-6]，然而，該專業(yè)的實驗教學中仍以基礎性的驗證實驗和針對單種材料成形技術開設的獨立性實驗為主，缺乏綜合性和學科間交叉性實驗。隨著科學技術的發(fā)展和進步，不同技術之間出現(xiàn)了相互融合的趨勢。技術的融合促進了學科間相互滲透和交叉，各種學科之間的聯(lián)系愈加緊密。交叉學科作為一種新型學科，它的出現(xiàn)和運用使得很多科學前沿問題和懸而未決的問題得到認識和解決，交叉學科在認識世界和改造世界中發(fā)揮著重要作用[7-9]。在各高校中，大部分專業(yè)都開設有交叉學科的相關課程，甚至還有部分高校專門設立有交叉學科的專業(yè)或研究中心。為此，在當前交叉學科突飛猛進發(fā)展和國家、社會、高校高度重視實驗實踐教學環(huán)節(jié)的新常態(tài)下，有必要設計和開設一些既有利于培養(yǎng)學生運用專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力、創(chuàng)新思維和探索未知問題的能力，又有利于激發(fā)學生學習興趣、增強學習主動性和發(fā)揮主觀能動作用，內容上具有不同學科交叉融合性的大型綜合實驗[10-12]。

1 已開設實驗項目現(xiàn)狀分析

1.1 粉末冶金成形技術實驗項目

粉末冶金成形技術是現(xiàn)代材料成形的重要方法之一，粉末冶金技術與制品涉及材料、冶金、機械和力學等多學科技術與知識。粉末冶金作為我校材料成形專業(yè)的特色方向之一，開設了粉末冶金工程專業(yè)課程，配套的實驗項目包括粉末特性測試綜合實驗、粉末冶金成形工藝實驗和粉末冶金材料組織與性能表征實驗。粉末特性測試綜合實驗是為了加深學生對粉末原料的認識，粉末冶金成形工藝實驗是讓學生了解和熟悉粉末冶金成形技術制備粉末制品(毛胚)的流程工藝和相關設備，粉末冶金材料組織與性能表征實驗是為了加深學生對粉末冶金材料微觀組織結構的認識和掌握一些基本性能的測試方法。這些實驗項目之間相互獨立，不具備真正意義上的“綜合性”。并且，實驗教學的組織形式是先是指導教師講解、演示操作，然后學生重復做一遍完成實驗，這種“依葫蘆畫瓢”地按步驟操作，缺乏設計性和創(chuàng)新性，不能觸動學生的主動思考，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，并且這種傳統(tǒng)的教學模式也不能調動學生的學習興趣。

1.2 表面工程技術實驗項目

表面工程技術因具有節(jié)材節(jié)能的特點越來越多地應用于工業(yè)和生活各領域中。表面工程技術包括的工程技術種類多，涉及材料、物理、化學、機械、力學等多學科領域知識。在很多高校中已作為材料類專業(yè)或機械專業(yè)的專業(yè)方向之一。我校材料成形專業(yè)開設了表面工程課程，并開設了設計性實驗，實驗的組織形式為：首先由學生在實驗室條件允許的情況下設計實驗方案，方案經(jīng)指導教師審核和同意后，指導教師準備實驗相關的材料、儀器和設備，最后由學生在實驗室內實施完成。這種設計性的實驗能夠促進學生自我學習和自我思考，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和分析問題、解決問題的能力，具有進步性，但是也存在局限性：由于實驗學時短，在實驗內容設計上和實驗實施過程中學生基本只能完成材料表面涂覆或改性處理，或者能初步完成涂覆層厚度或改性層深度的檢測，以致于不能對涂覆層或改性層發(fā)揮的作用進行充分認識，實驗綜合性不強。

1.3 切削加工技術實驗項目

切削加工是機械類專業(yè)必須要學習和掌握的一種制造技術，對應的相關課程為機械制造基礎、金屬切削原理。為了學習和了解該門技術及有關知識，我校材料成形專業(yè)開設了模具制造基礎課程，但目前在切削加工方面未開設教學實驗。

2 材料成形專業(yè)大型綜合實驗設計

2.1 實驗設計思路

綜合性實驗不能僅僅從內容上去界定，真正的綜合性實驗除了內容要具有綜合性外，內容本身應該能夠吸引學生，帶動學生的學習積極性，而且在教學方法上要摒棄機械式、被動式灌輸，要引導學生主動學習、積極動手和善于思考，實現(xiàn)內容與形式的統(tǒng)一[13-14]。大型綜合實驗包括實驗內容豐富和綜合性兩方面含義?；谶@樣的基本原則和要求，可以結合粉末冶金技術、表面涂層技術和切削加工技術多方面專業(yè)知識設計綜合性實驗，思路是：以粉末冶金制品——切削刀具為主線和銜接點，通過粉末冶金技術制備硬質合金刀具毛胚，并經(jīng)過磨削成刀具形狀；然后對成形的切削刀具進行表面涂層處理，在刀具表面形成一層硬質涂層；最后利用涂層刀具在機床上完成切削試驗，驗證刀片的使用性能。

2.2 實驗教學的組織形式與實驗流程

為了充分調動學生學習的積極性和主動性，發(fā)揮學生的主體能動作用，采取學生自主設計實驗方案和完成實驗為主、指導教師負責方案審核和從旁協(xié)助為輔的方式組織實驗。

首先由指導教師給出選題方向和要求；然后學生根據(jù)實驗要求，通過主動查閱資料、小組討論和與指導教師溝通完成實驗方案的設計，包括刀具材料的成分和粉末冶金法制備刀具本體的工藝、刀具表面涂層的前處理和制備工藝、被加工材料類型和切削參數(shù)的選擇，實驗方案最終須經(jīng)指導教師審核同意；實驗方案經(jīng)批準后，然后選擇適宜的時間到實驗室依次完成刀具本體的制備與主要性能檢測、表面硬質涂層的涂覆與表面性能的測試和切削試驗。實驗的主要內容和流程如圖1所示。

圖1 材料成形大型綜合實驗的主要內容與流程

2.3 實驗教學的主要研究內容

(1) 粉末冶金工藝的影響。粉末冶金工藝主要包括球磨混料、壓制成形和燒結3 個關鍵環(huán)節(jié)。其中，球磨一方面具有破碎、細化作用，另一方面也使所配制的各組元成分混合均勻，從而使得球磨之后的粉末具有一定的燒結活性。因此，球磨方式、濕磨或干磨、球料比、球磨時間、球磨機轉速、研磨介質等因素對燒結體最終的性能有顯著的影響。壓制使用的壓力對粉體的流動和塑性變形過程有重要影響，通常壓力越大，生坯的致密度越高，而致密度的大小直接影響后續(xù)燒結體的性能。燒結使粉末聚合體由很弱的生坯連接狀態(tài)變成牢固結合在一起的高強度材料，燒結方式、燒結溫度和保溫時間等因素將直接影響最終燒結體的強度、硬度、韌性、密度等性能。

(2) 粉末冶金材料的影響。切削刀具應用范圍、使用壽命、加工效率以及加工質量與刀具材質密切相關。高硬度是刀具材料的關鍵性能指標之一，但是刀具材料不能一味追求硬度，特別是在有微振動、斷續(xù)切削時，刀具材料的韌性尤為重要。在干式切削和高速切削條件下，切削溫度高達800～1 000 ℃，刀具材料的紅硬性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性也至關重要。目前主要粉末冶金法制備的切削刀具材料包括：高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、超硬材料等。

(3) 涂層材料及其厚度的影響。表面涂層的作用是進一步提高切削刀具的表面硬度，增加耐磨性。一般認為，涂層材料的硬度越高，涂層的耐磨性越好。通過改變靶材和(或)氣體可以獲得不同的涂層材料。不同的涂層材料，具有不用的作用效果。而且，涂層作用效果與涂層厚度有關，涂層太薄，達不到預期使用壽命，如果太厚，涂層的內應力增大，涂層易出現(xiàn)剝落失效。一般物理氣相沉積技術制備的涂層厚度為2～8 μm，化學氣相沉積法制備的涂層厚度為20～30 μm。

(4) 涂層/刀具基體結合力的影響。刀具在切削使用時表面承受一定的擠壓力，涂層效用發(fā)揮的前提條件是涂層與刀具基體結合牢固。結合力大小是涂層刀具的一項關鍵指標。只有在涂層不脫落的情況下，涂層才對刀具基體具有保護作用。因此，提高涂層/刀具基體結合力成為刀具基體制備和涂層制備研究的熱點之一。通過粉末冶金法制備的梯度硬質合金、涂層涂覆時過渡層的運用都是提高涂層/刀具基體結合強度的有效途徑。

(5) 切削條件的影響。實踐和經(jīng)驗表明，即使同種刀具在高速切削與正常速度切削、干式切削與有冷卻條件下的切削、不同切削方式、不同被加工材料等不同切削條件下表現(xiàn)出來的性能是完全不一樣的。因此，在進行切削試驗前，必須預先設定好切削條件。只有在特定的工況下評價刀具性能好壞才有實際意義。

3 材料成形專業(yè)大型綜合實驗教學實例[15]

3.1 實驗目的

(1) 以切實的工程實際問題為導向，讓學生了專業(yè)知識的用途、應用以及價值，培養(yǎng)學生形成材料成分、成形工藝、組織、性能、應用的思維習慣。

(2) 培養(yǎng)學生文獻檢索、資料查詢以及將其用于材料成形過程中復雜工程問題的研究與分析能力。

(3) 培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力、創(chuàng)新能力和系統(tǒng)研究科學問題的能力。

(4) 培養(yǎng)學生團隊協(xié)作、討論、方案設計、文檔報告撰寫等多方面的能力。

3.2 實驗題目方向和要求

在切削領域，為了增強刀具的表面性能和延長刀具的服役壽命，切削刀具進行表面涂層處理非常普遍，涂層刀具所占比例越來越高。涂層刀具的性能與涂層材料有直接關系，試在同種硬質合金刀具基體上制備3種不同成分的涂層材料，探索和分析涂層材料對涂層刀具切削性能的影響規(guī)律。

3.3 實驗設計方案

利用粉末冶金方法制備YG6硬質合金刀具毛胚體，然后磨削成三角形車刀片；利用物理氣相沉積技術在刀片表面分別涂覆AlCrN/WNx-TiN、AlCrN/WNx-ZrN和AlCrN/WNx-DLC 3種涂層；進行切削試驗檢驗刀片性能，被加工材料選擇Inconel 718，切削參數(shù)設為：切削速度50 m/min，背吃刀量0.1 mm，進給量0.4 mm/r，干式切削。

3.4 實驗結果與討論

(1) 切削刀片形狀。經(jīng)粉末冶金成形和磨削加工的切削刀片如圖2所示。刀片為三角形車刀片。

圖2 粉末冶金法制備的切削刀具形狀

(2) 刀具表面涂層厚度。3種刀具涂層的斷口形貌如圖3所示。由圖可知，AlCrN/WN-TiN、AlCrN/WN-ZrN和AlCrN/WN-DLC 3種涂層的總厚度均約為4 μm，底層AlCrN/WN耐磨層的厚度約為3 μm，表層TiN、ZrN 和DLC潤滑層的厚度約為1 μm。表層TiN和ZrN呈柱狀組織結構，表層DLC的組織明顯不同。

(3) 涂層刀具的切削性能。切削后的后刀面磨損量如圖4所示。由圖可知，在切削長度為30 m時，以DLC膜層作為潤滑層的涂層刀具有最低的后刀面磨損，其次是以TiN膜層為潤滑層的涂層刀具，后刀面磨損最嚴重的是以ZrN膜層為潤滑層的涂層刀具；在切削長度為60 m時，3種涂層刀具的磨損量十分相近。隨著切削長度的繼續(xù)增加，以DLC膜層為潤滑層的涂層刀具始終表現(xiàn)出低的后刀面磨損量，當切削長度為120 m 時，以DLC 膜層作為潤滑層的涂層刀具后刀面磨損量明顯小于其他兩種涂層刀具的磨損量。

(a) AlCrN/WN-TiN

(b) AlCrN/WN-ZrN

(c) AlCrN/WN-DLC

圖3 涂層刀具的斷口形貌

圖4 不同切削長度下的后刀面磨損量

經(jīng)過60 m的切削長度后，涂層刀具的后刀面磨損形貌如圖5所示。由圖可知，3種涂層刀具均有不同程度的磨損，涂層刀具表面均出現(xiàn)了許多溝槽，這是由硬質顆粒產(chǎn)生的微切削效應引起的，在宏觀上表現(xiàn)為涂層刀具后刀面形成的溝槽磨損。另外，AlCrN/WN-TiN和AlCrN/WN-ZrN涂層刀具表面還產(chǎn)生了嚴重的黏著磨損，表層TiN和ZrN膜層在切削過程中并未脫落，AlCrN/WN-DLC涂層中，表層DLC膜層在切削過程中發(fā)生脫落，但是AlCrN/WN-DLC涂層黏結磨損很輕。由此可知，DLC 減磨層有利于降低刀具在切削過程中的黏結磨損。

(a) AlCrN/WN-TiN

(b) AlCrN/WN-ZrN

(c) AlCrN/WN-DLC

圖5 切削60 m后的涂層刀具后刀面磨損情況

切削過程中刀具的切削力測試結果如表1所示，F(xiàn)x為軸向進給力；Fy為切深抗力；Fz為主切削力。由表可知，涂層刀具切削時有較高的切深抗力和主切削力，但是軸向力較小，其中，以DLC膜層作為潤滑層的涂層刀具有較低的切削力，說明DLC 可降低刀具與被加工材料間的摩擦系數(shù)，使切削力降低。

表1 切削過程中切削刀具的切削力

4 大型綜合實驗的特點和優(yōu)勢

(1) 實驗內容上具有學科交叉性和綜合性。實驗內容突破了原有的限制，形成了以切削刀具制備、刀具表面涂層處理和刀具切削使用為主線的系統(tǒng)性實驗，在實驗內容上實現(xiàn)了真正意義上的“綜合”。內容包含粉末冶金技術、氣相沉積技術、材料顯微分析技術和切削加工技術多門專業(yè)技術的結合，同時涉及材料、真空物理、機械、力學等多學科知識的融合，涵蓋的專業(yè)包括材料成形和機械專業(yè)。

(2) 實驗內容具有工程性、先進性、趣味性。實驗內容以工程實際應用中的切削刀具為研究對象，結合最新的科學研究成果，綜合運用所學專業(yè)知識從粉末原料到制備出切削用的刀具產(chǎn)品，打破了一味從教科書中去選擇題材的限制，能夠激發(fā)學生的好奇性和增強學生的學習興趣。

(3) 實驗教學方式發(fā)生了明顯變化。新的實驗教學方式拋棄了學生聽講解、按步驟機械式地操作驗證的傳統(tǒng)形式，而是以學生為主體、指導教師配合學生，學生自主完成實驗方案設計、過程實施、結果檢驗和測試、原因分析等內容。學生無法知道實驗結果，他們在實驗環(huán)節(jié)中除了操作設備之外，更多的還包括文獻資料查閱、思考與討論、運用知識分析問題和解決問題。

(4) 實驗內容具有設計性、探索性和創(chuàng)新性。指導教師只給出了實驗的題目方向和要求，并沒有把實驗內容完全限定，在內容上具有可選擇性和靈活性，學生需要自行設計具體的材料成分、工藝參數(shù)和實驗條件。并且，這些設計內容是在學生對資料信息的理解、專業(yè)知識的運用和自我思考中得出的，而不是完全重復現(xiàn)有的實驗內容和條件，因此實驗內容上具有創(chuàng)新性。而且，實驗中可調節(jié)控制的工藝點多，在方案設計時完成可以考慮研究某個具體的工藝點對刀具材料組織結構和使用性能的作用規(guī)律，實驗內容可以對科學前沿問題進行探索。

5 結 語

著名教育實踐家和教育理論家蘇霍姆林斯基有句名言:“手能增長才智”，他認為學生的“能力和才干來自于他們的指尖，手指那些細小的溪流在不斷地補充創(chuàng)新思維的源泉”[16]。不言而喻，實驗教學在高校培養(yǎng)綜合性人才和創(chuàng)新人才具有不可替代的重要作用。但是，隨著社會的進步和科學技術的發(fā)展，基礎性實驗、驗證性實驗在創(chuàng)新人才培養(yǎng)上的局限性日益明顯。開設綜合實驗，特別是大型綜合實驗成為高校實驗教學改革與發(fā)展的重要方向。針對我校材料成形專業(yè)部分專業(yè)課程的實驗開設現(xiàn)狀，以培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，以粉末冶金成形技術、表面涂層技術和切削加工技術為支撐，設計了以粉末冶金制品——切削刀具為主線、具有創(chuàng)新性、探索性、吸引性的大型綜合實驗。在實驗過程中，學生查閱文獻的技能、實驗方案設計能力、獨立思考能力、創(chuàng)新能力、動手能力都得到了訓練和加強。