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《材料加工工艺学》研究生课堂教学改革研究与实践

日期：2023-08-22 17:30:40 来源：网络整理作者：本站编辑浏览：33 评论：0

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近年来，研究生的教育质量在现代教育事业中越来越被关注，目前个别研究生教育存在“本科化”倾向，例如课堂知识教育与课题研究教育之间不能有机衔接，使研究生在完成课堂知识教育后缺乏综述文献能力、主动思考能力、表达概括能力、积极沟通能力和创新思维能力，不能立刻适应科研要求，未能找到正确、合适的研究方法，较长时间才能转换，造成课题进度滞后，研究生压力增加，甚至影响学业进度，拖延了毕业时间。所以这种课堂知识教育与课题研究教育的脱节，是研究生教育值得注意的问题。

现基于让研究生顺利渡过这个阶段、提高研究生教育质量和效率的目标，以《材料加工工艺学》课程中“模具零件表面强化及修复”内容为例，进行课堂教学改革。鉴于《材料加工工艺学》开课时间是研究生入学第一学期，还未进入课题研究阶段，所以课堂教学是帮助其将课堂知识教育与课题研究教育相互融合，实现较好过渡的有效途径之一。

1 实施学生与教师共同完成模具零件表面强化及修复内容课堂教学

（1）课改理论方面：首先设计、布置任务，给足学生查阅、讨论的时间，要求每个学生针对小组所需讲授的内容，基于教材并结合文献，制作1个有讲述时间要求的PPT，同时要求在汇报中列出小组每位成员完成的工作及效果评价，如表1所示。

表1 课堂教学小组组员分工及评估

（2）采用学生自荐或推荐考核小组与老师考核相结合的考评制度，如表2所示，其中学生代表评分组平均成绩占40%，教师成绩占60%。

表2 考核参考标准

2 结合工程实际完成模具零件表面强化及修复内容大作业

结合模具零件表面强化及修复工程实例，布置大作业，要求2周完成，同时大作业需要明确体现小组分工协作情况，如表3所示。

表3 大作业小组组员分工及评估

（1）大作业一：GGG70L模具钢激光表面淬火。模具零件材料为GGG70L，激光表面淬火的临界温度Ac₁=900 ℃，熔点为1 300 ℃左右。为了能够定量测量淬火层的深度，Ac₁取900 ℃。模具零件材料温度分布如图1所示，随着模具钢激光表面淬火的进行，可以看出激光光斑的移动，光斑的周围产生较大的温度梯度，这与激光实际加工过程相吻合。

图1 材料的温度分布

图2所示为材料激光表面淬火时横截面的温度分布，距表层沿深度方向的温度分布均匀，900 ℃以上的深度可以达到0.6 mm，即数值模拟的淬火层厚度是0.6 mm。

图2 横截面温度分布

（2）大作业二：塑料水管套座注射成型工艺模拟分析。采用数值模拟方法分别对热固性塑料成型模和热塑性塑料成型模进行分析，通过分析结果预测潜在缺陷，能较大程度在注射成型模拟分析中改善模具质量。

首先，将熔体温度230 ℃设成定量，模具温度3个变量分别是40、55、70 ℃，这样可以分析模具温度对制品质量的影响，如图3所示。

图3 熔体温度230 ℃时零件质量响应曲面

同时模拟结果可以得到注射压力响应曲线，如图4所示。

图4 熔体温度230 ℃时注射压力响应曲线

最后，再次通过将模具温度设置为55 ℃，这样可以分析注射时间对制品质量的影响（见图5）以及注射压力响应曲线（见图6）。

图5 模具温度55 ℃时零件质量响应曲面

图6 模具温度55 ℃时注射压力响应曲线

通过模拟及试验，分别将熔体温度和模具温度其中1个因素设为变量，另外1个因素设为定量，进行DOE分析，最终获得注射压力与熔体温度、模具温度之间的关系。

（3）大作业三：机器人熔丝堆焊增材修复锻模工艺的研究与机器人熔丝堆焊路径规划。在实际生产中，由于锻模长时间的工作，型腔表面会磨损失效，采用熔丝堆焊修复模具。热锻模材料为5CrNiMo，运用面铣削方式对锻模缺失部位进行加工和修复，如图6所示。

图6 原始锻模及待修复锻模

研究生在大作业中运用离线编程软件规划熔丝堆焊修复模具路径轨迹，通过逆向工程获得锻模缺损部位的实体模型，如图7（a）所示，将该模型分为底部实体柱形模型（见图7（b））和顶部环柱状模型（见图7（c））两部分。

图7 锻模缺损部位实体模型及分割后实体模型

（a）实体模型（b）底部实体（c）顶部实体

第一步对底部实体进行面铣削路径的规划，设置锻模修复刀具半径为R3 mm，铣削行距为4 mm，下切步距为3 mm。选择双向面铣削，获得面铣削路径如图8所示。

图8 底部不同高度单层面上的路径分布信息

同理，对顶部环柱状实体进行面铣削的路径规划，获得的面铣削路径如图9所示。

图9 顶部不同高度单层面上路径分布信息

3 结束语

为实现研究生课堂知识教育与课题研究教育之间的有机衔接，以《材料加工工艺学》课程中模具零件表面强化及修复内容为例，通过学生参与讲授、讨论和考核，同时学生小组协作完成大作业的课堂教学模式改革，达到以下效果。

（1）教师根据教学目标设计课堂教学模式，该模式通过研究生共同参与讲授、讨论、考核实现，激发学生的学习主动性及讨论积极性，提高语言表达能力，锻炼学生客观评价、点评、考核的能力。

（2）研究生小组协作完成大作业，有助于培养研究生主动应用已有知识分析问题的能力，同时通过相互讨论、中外文献查阅，能够提出解决问题方法，帮助研究生树立自信，较好地从课堂教育进入课题研究阶段。

（3）该课程教学改革实践不仅完成了教学内容，还将对学生未来从事科研、工作产生影响。

▍原文作者：李云涛，吕贵才，王志华，杨光

▍作者单位：天津理工大学材料科学与工程学院

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