鋼的熱處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

張平 韓海媚

摘要：熱處理是鑄件或鍛件在進(jìn)一步加工前不可或缺的步驟，因此鋼的熱處理實(shí)驗(yàn)是機(jī)械工程材料這門課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一，需要將金屬材料在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，通過改變金屬材料，特別是鋼鐵材料的組織結(jié)構(gòu)來獲得所需性能的一種工藝。該實(shí)驗(yàn)的加熱溫度高，油冷時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺鼻的氣味，實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)耗費(fèi)大量的電能、機(jī)油、鋼材試樣等材料。基于以上緣由，開發(fā)了基于虛擬技術(shù)的鋼的熱處理仿真實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué);鋼;熱處理;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG15? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0275-02

一、緒論

培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，已成為高等學(xué)校培養(yǎng)人才的重要手段，隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，社會(huì)對(duì)人才的需求呈現(xiàn)出多樣性，這就使得高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要進(jìn)行不斷的變革和更新。[1]

桂電依托學(xué)校電子信息學(xué)科優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)建設(shè)“智能制造系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”，該中心設(shè)立智能機(jī)械制造虛擬工廠。其中智能機(jī)械制造虛擬工廠中，以學(xué)生實(shí)踐認(rèn)知為發(fā)展層次的專業(yè)認(rèn)知基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)里，機(jī)械工程材料及熱加工這門課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生采用科學(xué)方法對(duì)機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)、裝置、系統(tǒng)等相關(guān)的各類物理和材料特性制定實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定相關(guān)的技術(shù)參數(shù)起重點(diǎn)支撐作用。因此，為達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生對(duì)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)的認(rèn)知和理解，夯實(shí)基礎(chǔ)實(shí)踐能力，開設(shè)課程相關(guān)實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

二、虛擬仿真內(nèi)容

虛擬仿真技術(shù)的目的，就是通過虛實(shí)融合，模擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)，進(jìn)而有效地促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展。

本項(xiàng)目參照現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及所開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)。項(xiàng)目把實(shí)驗(yàn)所涉及的場(chǎng)地，設(shè)備、工具、材料等內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)實(shí)虛擬化，如圖1所示。學(xué)生只需戴上3D眼鏡，用手觸動(dòng)手中的鼠標(biāo)，大屏幕上顯示的3D效果如同學(xué)生本人站在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中，身臨其境，在遵守實(shí)驗(yàn)室安全手冊(cè)及儀器操作規(guī)則的前提下，可以對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)置等操作。如同本人來到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中用手操作，效果相當(dāng)。

項(xiàng)目初期，預(yù)期學(xué)生所能進(jìn)行的操作有以下四項(xiàng)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器介紹、實(shí)驗(yàn)步驟、思考測(cè)試。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。操作者用手點(diǎn)開“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹辈藛?，則呈現(xiàn)出本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體要求。包括實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)意義、實(shí)驗(yàn)要求，如圖2所示。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最終根據(jù)承擔(dān)該課程的所有理論教師及實(shí)驗(yàn)教師和使用了該虛擬項(xiàng)目的學(xué)生所提的建議，增加了實(shí)驗(yàn)原理概述、淬火加熱溫度選擇依據(jù)等內(nèi)容。[2]

2.儀器介紹。學(xué)生在開始實(shí)驗(yàn)前，必須先熟悉儀器。首先是電阻爐及溫度控制器，包括溫度的設(shè)定及試用過程中的注意事項(xiàng)。其次是砂輪機(jī)、硬度計(jì)等在其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中已經(jīng)接觸過的設(shè)備。最后了解實(shí)驗(yàn)室所能提供的熱處理試樣材料種類，各種夾持工具及冷卻介質(zhì)等。

3.實(shí)驗(yàn)步驟。作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的核心內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)步驟按照學(xué)生提前預(yù)習(xí)的進(jìn)行操作，首先選定所要熱處理的材料，本虛擬仿真項(xiàng)目提供45鋼、T10及T12等常用的碳鋼。學(xué)生自行查閱相關(guān)資料，制定相關(guān)熱處理工藝。

熱處理操作中，加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方法是最重要的3個(gè)基本工藝因素，學(xué)生必須在熱處理前了解所選材料的類別，進(jìn)而根據(jù)性能要求，制定相關(guān)工藝。若選定熱處理對(duì)象為T10，則材料屬于過共析鋼，則正火加熱溫度必須是Acm+（30-50）℃。T10的淬火加熱溫度一般常選擇760℃。[3]

當(dāng)電阻爐升到設(shè)定溫度后（升溫過程中，爐內(nèi)顏色的亮度跟溫度成正比，虛擬實(shí)驗(yàn)電阻爐升溫時(shí)間設(shè)置為實(shí)際升溫時(shí)間的1/10），用夾子夾取試樣，放到電阻爐中加熱，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后進(jìn)行冷卻。

常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級(jí)淬火、等溫淬火等。本虛擬仿真項(xiàng)目提供了水、機(jī)油、鹽三種單質(zhì)冷卻介質(zhì)，學(xué)生可根據(jù)試樣熱處理后所要達(dá)到的性能要求，根據(jù)不同的材料選擇相應(yīng)的淬火方法。如選用水冷時(shí)，高溫試樣因放在室溫水中而產(chǎn)生的聲響，油冷時(shí)，高溫試樣放到油箱里冷卻時(shí)產(chǎn)生的煙霧，在仿真實(shí)驗(yàn)中的效果幾乎與實(shí)際效果相當(dāng)。

熱處理后的試樣，打磨表面的氧化皮后用硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，得到一套硬度數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析。

三、總結(jié)

開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的原則是：虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，讓學(xué)生有效地把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)之前可先在虛擬仿真中心進(jìn)行預(yù)演，讓學(xué)生對(duì)儀器的操作及使用可以反復(fù)練習(xí)，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)出現(xiàn)提示而不損害實(shí)際儀器;且虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綠色環(huán)保，不浪費(fèi)材料和能源，且不受時(shí)間限制，在中心網(wǎng)站預(yù)約成功后，在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)到達(dá)開放的仿真實(shí)驗(yàn)中心即可開展實(shí)驗(yàn)。根據(jù)參加過該項(xiàng)目的學(xué)生的親身體驗(yàn)，虛擬仿真效果逼真，幾乎達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。[4]同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高了學(xué)生實(shí)踐和應(yīng)用能力、研究和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了人才培養(yǎng)目標(biāo)與社會(huì)需求的有機(jī)結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜月林，黃剛，王峰，高翔.建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（12）：26-29.

[2]包俊成，王志奇，畢大森，高新樹.基于局域網(wǎng)的金屬材料熱處理虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（1）：125-128.

[3]于永泗，齊民，徐善國.機(jī)械工程材料輔導(dǎo)·習(xí)題·實(shí)驗(yàn)[M].第5版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2017.

[4]黃鵬，孫建林，劉國權(quán)，曾燕屏，韓凌，贠冰.綜合熱處理虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，11（32）：132-135.