關(guān)于材料力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)樣品制造方式的改革

方濤 楊鳳雙 于捷 樸英錫

摘 要：目前，材料力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)樣品主要是購(gòu)買(mǎi)或者是訂購(gòu)的，而拉伸實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)破壞性實(shí)驗(yàn)，因此每年需要大量的試件樣品。而金工實(shí)習(xí)中車(chē)床操作的小錘柄的技術(shù)難度遠(yuǎn)高于拉伸實(shí)驗(yàn)樣品，所以學(xué)生完全可以在完成小錘柄的工作之后，再加工一個(gè)拉伸試樣，這樣可以大大降低實(shí)驗(yàn)成本，還能提高學(xué)生在工程訓(xùn)練中操作的積極性。

關(guān)鍵詞：拉伸試樣 車(chē)工 材料力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）07（b）-0201-03

在人們運(yùn)用材料進(jìn)行建筑、工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，需要對(duì)材料的實(shí)際承受能力和內(nèi)部變化進(jìn)行研究，這就催生了材料力學(xué)。《材料力學(xué)》課程在高等工科院校機(jī)械類(lèi)各專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃中，是一門(mén)重要的必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是大多數(shù)機(jī)械專(zhuān)業(yè)考研的專(zhuān)業(yè)課之一。其主要任務(wù)是使學(xué)生掌握固體材料在承受各種載荷時(shí)的力學(xué)性能，研究實(shí)際工程構(gòu)件在外力作用下產(chǎn)生變形和破壞的規(guī)律，為構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。

1 力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)

材料的一些力學(xué)性能是指在力的作用下，材料在變形、強(qiáng)度等方面表現(xiàn)出的一些特性，如彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限、彈性模量、疲勞極限、沖擊韌性等。這些強(qiáng)度指標(biāo)或參數(shù)都是構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算的依據(jù)，而它們一般要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。此外，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化得出的理論是否可信，也要由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。還有一些尚無(wú)理論結(jié)果的問(wèn)題，也要借助實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)解決。所以，實(shí)驗(yàn)分析是材料力學(xué)解決問(wèn)題的方法。因此，實(shí)驗(yàn)課是《材料力學(xué)》課程的重要環(huán)節(jié)，它與理論教學(xué)同等重要[1]。

生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)承受拉伸的桿件，研究材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能具有普遍代表意義。拉伸實(shí)驗(yàn)是力學(xué)中一個(gè)重要試驗(yàn)，研究其改革方式和方法是很有必要的[2]。低碳鋼在工程中應(yīng)用較廣，在拉伸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的力學(xué)性能最為典型，而灰鑄鐵是典型的脆性材料。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)代表塑性材料的低碳鋼和代表脆性材料的灰鑄鐵進(jìn)行研究，分析比較兩種材料拉伸情況下變形的區(qū)別，從而掌握材料的機(jī)械性能。為了便于比較不同材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試樣的形狀、加工精度、加載速度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都有統(tǒng)一規(guī)定，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的試樣尺寸，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍W(xué)生測(cè)定低碳鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是材料的強(qiáng)度指標(biāo)，而斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率是材料的塑性指標(biāo)。低碳鋼在拉伸過(guò)程會(huì)表現(xiàn)出典型塑性材料的力學(xué)性能，其拉伸曲線，如圖2所示，觀察其在拉伸過(guò)程中的變形和破壞特征有助于學(xué)生直觀理解塑性和脆性行為。

拉伸實(shí)驗(yàn)是一個(gè)破壞性試驗(yàn)，要求每個(gè)同學(xué)都操作，也就是每個(gè)同學(xué)需要一個(gè)拉伸試樣，這個(gè)樣品的需求量是巨大的。目前，我們的試樣主要是零散購(gòu)買(mǎi)或者學(xué)校統(tǒng)一進(jìn)行訂購(gòu)，Q235拉伸Φ10試樣每個(gè)約為15元左右，我們學(xué)院每年的機(jī)械新生約300人，因此這一項(xiàng)每年支出約為4500元。

2 工程訓(xùn)練項(xiàng)目

對(duì)于工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，金工實(shí)習(xí)是一門(mén)實(shí)踐性技術(shù)基礎(chǔ)課，工程訓(xùn)練項(xiàng)目包括車(chē)工、鉗工、銑工、刨工、磨工、鑄造、鍛造和焊接等工種。訓(xùn)練以常規(guī)機(jī)械加工技術(shù)和現(xiàn)代加工技術(shù)為主線，從基礎(chǔ)實(shí)踐入門(mén)，通過(guò)示教示范、實(shí)踐加工和綜合創(chuàng)新制作，形成一系列完整的教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生初步了解工業(yè)生產(chǎn)的基本過(guò)程，為后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課和工作打下基礎(chǔ)。車(chē)削加工是切削加工中最長(zhǎng)用的一種加工方法，通過(guò)實(shí)習(xí)使學(xué)生初步了解車(chē)床的基本機(jī)構(gòu)，對(duì)車(chē)削加工常見(jiàn)的加工方法和工業(yè)特點(diǎn)有一定了解。通過(guò)自己的實(shí)踐達(dá)到以下要求：（1）了解車(chē)削加工的基本知識(shí)，車(chē)削加工的工藝特點(diǎn)及加工范圍；（2）了解車(chē)床型號(hào)及種類(lèi)，掌握臥式車(chē)床名稱(chēng)、主要組成部分及其作用；（3）了解零件加工精度，切削用量和加工經(jīng)濟(jì)性的相互關(guān)系；（4）掌握外圓、端面、鉆中心孔、切槽、滾花、圓錐的加工操作方法；（5）了解車(chē)床的保養(yǎng)和安全操作。我們目前的車(chē)工操作任務(wù)是要求每個(gè)學(xué)生做一個(gè)小錘柄，操作時(shí)間是4學(xué)時(shí)。具體的操作步驟如下：夾緊Φ18的毛坯進(jìn)行粗車(chē)加工到Φ10，車(chē)端面，端面頂尖打孔；再掉頭粗車(chē)到尺寸Φ17，再粗車(chē)Φ8， Φ11留余量；進(jìn)行精車(chē)加工各軸段到Φ16。再按軸的尺寸進(jìn)行滾花、打斜面1：10的錐度；精車(chē)Φ11，Φ8最后套螺紋。這個(gè)操作過(guò)程中涉及到車(chē)外圓、車(chē)端面、鉆中心孔、切槽、滾花、車(chē)圓錐等工序。由此可見(jiàn)，小錘柄的加工難度遠(yuǎn)大于拉伸試樣的加工難度。因此我們完全可以在學(xué)生完成小錘柄的工作之后，讓學(xué)生每人自己加工一個(gè)拉伸試樣。

3 創(chuàng)新式力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)與工程訓(xùn)練相結(jié)合

低碳鋼具有較好的塑性，因此在車(chē)床上切削加工較容易，在加工拉伸試樣之前老師需要考慮的問(wèn)題如下。根據(jù)要加工做拉伸實(shí)驗(yàn)試樣批量的大小，確定生產(chǎn)類(lèi)型，然后對(duì)試件進(jìn)行工藝分析。工藝分析中我們應(yīng)掌握試件的結(jié)構(gòu)形狀是階梯軸，材料為Q235，硬度及熱處理等情況，分析試件有哪些表面需要加工，以及各表面的尺寸精度、形狀精度、位置精度及表面粗糙度等的要求。試件的材料在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定，毛坯制造方法的選擇也很重要。在機(jī)械加工中，毛坯種類(lèi)很多，如鍛件、鑄件、型材、沖壓件等。拉伸試件材料是低碳鋼，低碳鋼的鍛造性能好，我們的試件是階梯軸類(lèi)零件，各臺(tái)階直徑相差不大，故采用型材中的棒料。擬定工藝路線，首先是定位基準(zhǔn)的選擇，試件以一個(gè)加工端面為定位基準(zhǔn)，這樣可以避免由于基準(zhǔn)不重合而出現(xiàn)的定位誤差。試件在拉伸的過(guò)程中，拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)的上卡頭和下卡頭裝夾試件兩端，試件兩端面Φ15軸應(yīng)是同軸的，我們選一次裝夾就可以完成。這樣我們選三爪自定心卡盤(pán)定位夾緊工件，車(chē)右端面定基準(zhǔn)，床尾固定頂尖夾緊，車(chē)外圓進(jìn)行加工，分粗加工、半精加工、精加工至尺寸Φ15，車(chē)外圓Φ10至尺寸粗糙度Ra3.2，進(jìn)行倒圓角，之后切斷。材料選擇低碳鋼，直徑為Φ16的棒料。其車(chē)工具體操作工藝卡片如圖3所示。

學(xué)生完全可以在完成小錘柄的前提下，用4個(gè)學(xué)時(shí)完成這項(xiàng)工作。通過(guò)學(xué)生自己做試樣，每個(gè)樣品的成本降低為棒料的成本，每個(gè)Q235毛坯約為1元，價(jià)格是購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成實(shí)驗(yàn)試件的十五分之一，這使實(shí)驗(yàn)成本大大降低，省下的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)完全可以用于購(gòu)買(mǎi)其他實(shí)驗(yàn)儀器。

4 結(jié)語(yǔ)

學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)課的操作非常重視，實(shí)驗(yàn)課成績(jī)占《材料力學(xué)》總成績(jī)的10%，而且對(duì)于缺習(xí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)者，課程不予通過(guò)。因此，每個(gè)學(xué)生對(duì)于這項(xiàng)操作會(huì)非常重視，這樣一個(gè)試樣的操作直接會(huì)影響到《材料力學(xué)》實(shí)驗(yàn)的成績(jī)，如果完成不了，導(dǎo)致沒(méi)有《材料力學(xué)》課程的成績(jī)。反過(guò)來(lái)，這也能夠提高學(xué)生在車(chē)工工種的操作積極性，讓學(xué)生意識(shí)到如果車(chē)工學(xué)習(xí)不積極，直接導(dǎo)致樣品加工不合格，最后會(huì)導(dǎo)致力學(xué)實(shí)驗(yàn)的失敗。另外，通過(guò)自己加工樣品，學(xué)生能夠更好的理解粗糙度、材料種類(lèi)對(duì)力學(xué)性能的影響。根據(jù)這些結(jié)果，實(shí)驗(yàn)老師甚至于可以做一個(gè)開(kāi)放性的課題，讓學(xué)生在操作過(guò)程中加深對(duì)課程內(nèi)容的理解。我單位的實(shí)習(xí)工廠直接隸屬于機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，這項(xiàng)改革工作的推進(jìn)在我單位是非常便利的，這樣一件雙贏的工作相信一定會(huì)引起學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的重視。

我們探討了在金工實(shí)習(xí)中，學(xué)生自己完成《材料力學(xué)》拉伸實(shí)驗(yàn)樣品的改革。這項(xiàng)工作能夠大大降低實(shí)驗(yàn)成本，并且調(diào)動(dòng)學(xué)生金工實(shí)習(xí)操作的積極性和材料力學(xué)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

參考文獻(xiàn)

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