材料成型與控制工程之金屬材料加工分析

郜一帆GAO Yi-fan

（西北工業(yè)大學，西安710072）

0 引言

金屬材料在電力制造、航空航天等多個國民生產領域具有廣泛應用價值，在實際生產環(huán)節(jié)通常需將金屬單質、有機復合材料適量添加在金屬原料中，用于改善金屬的強度、耐磨性及抗性變等性能，但也將提高金屬材料加工難度，對于材料成型工藝流程與控制技術的應用提出嚴格要求，以此保證材料成型質量。

1 材料成型與控制工程概述

材料成型與控制工程集成材料科學、成型工藝、自動控制等多項學科內容，主要通過分析材料結構與表面形態(tài)特征進行材料加工與成型方法的研究。當前材料成型與控制技術在機械制造、航空航天、船舶與電力制造等領域均得到廣泛應用，對于制造業(yè)產品加工質量、模具和設備制造效率具有直接影響。金屬材料作為機械制造業(yè)生產環(huán)節(jié)應用到的主要原料，在加工成型過程中涉及到焊接、沖壓、擠壓、鍛造、鑄造等多種技術類型，其加工工藝的選擇與控制將直接影響到材料成型質量與使用性能，因此還需針對金屬材料的理化性質進行科學測定，并結合材料特征進行成型工藝選擇，提升成型后產品的質量與使用性能。

2 金屬材料加工成型技術及其應用

2.1 機械加工成型

機械加工成型是一種常規(guī)加工方法，現階段已由車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)工藝流程發(fā)展為利用數控機床進行綜合加工，使得加工質量、效率與精度均得到顯著提升。在實際操作環(huán)節(jié)，需結合產品加工要求與材料特性進行工藝路線的編制，合理采用鉆、銑、車等工藝，并做好金屬切割刀具的選擇。例如針對硬度低的金屬材料，可選取高速鋼材料進行鉆、銑加工，或選取硬質合金類刀具進行車削加工，并采用表面涂層技術，配合乳化液進行冷卻處理，延長刀具使用壽命；針對硬度高的金屬材料，可選用金剛石刀具，配合切削液的使用減小摩擦、增加散熱，提高材料加工質量；針對表面質量要求高的產品，可運用磨削加工與拋光處理方法；針對形狀具有特殊要求的產品，可引入線切割、電火花等特殊工藝[1]。

同時，當前金屬材料快速成型技術的應用范圍逐步拓寬，具有操作便捷、效率高、可實現遠程控制等應用優(yōu)勢?？焖俪尚图夹g的應用原理是利用CAD 軟件繪制出機械材料模型，借助三維測量技術、快速制造模具等方式實現產品快速成型。該技術在實際應用環(huán)節(jié)分為兩種類型：其一是直接制模，通常選用LOM 工藝成型技術進行材料生產，利用CAD 軟件繪制出模型，完成機械零件產品的表面處理，采用砂型鑄造方法完成鑄模，再利用選擇性激光燒結技術獲取金屬實體，最后通過將聚合物分解完成金屬制品的制造，滿足批量化生產要求；其二是間接制模，基于快速成型技術制備出模芯，采用精密鑄造、粉末燒結等技術完成模具復制處理，再恢復模型表面，最終完成金屬模具的制造。將快速成型技術應用于微機械加工環(huán)節(jié)，可利用液態(tài)樹脂光固化塑成型工藝生產出尺寸不足1cm3的零件，通過點固化單元、約束液片、刮平裝置、矢量掃描、BPM 數據格式完成機械加工制造。

2.2 粉末冶金成型

粉末冶金成型工藝最早被應用于復合材料零件加工，具有材料適應性強、增強相分布均勻、工藝流程精簡、組織細密、界面反應少等性能特征，其成型方式大體分為三種類型：其一是壓制成型工藝，主要應用于形狀規(guī)則、開模為2～3 個分型面的產品，適用于批量化生產；其二是注射成型工藝，用于加工形狀特殊、體積較小、性能要求高的產品，可實現批量化生產；其三是3D 打印成型工藝，主要用于制作試樣，但成本較高、工藝不成熟。粉末冶金成型的常規(guī)工藝流程表現為“配料——混料——成型——脫脂——燒結——后處理”六個環(huán)節(jié)，以注射成型工藝為例，在燒結后形成的鑄件具有組織致密、尺寸精度高、表面質量好、機械性能強等特征，密度保持在7.6～7.8g/cm3范圍內，在后處理環(huán)節(jié)可選用熱處理、機械加工等技術完成產品制造，保證產品具備良好的應用性能。當前粉末冶金成型工藝的自動化水平呈現出顯著提升，可為齒輪、扳機、止血鉗、手機按鍵等形狀復雜、機械精度與表觀質量要求高的零部件生產提供技術支持，以低成本、高效率和良好性能服務于零件制造領域，更好地提升零部件加工生產效率。

以奧氏體不銹鋼的加工制備為例，多孔高氮無鎳奧氏體不銹鋼是一種具備良好力學性能、減震性與耐腐蝕性的材料，適用于制備工程結構件、醫(yī)用器械等產品。采用粉末冶金成型工藝制備該金屬材料，主要選取尺寸為13μm 的含氮雙相不銹鋼粉末作為原料，以碳酸氫銨作為造孔劑；在原材料中添加造孔劑，置于V 型混合機內部運作24h；待材料充分混合后送入抽壓機內，以374MPa 的壓力將原料冷壓成型；進入燒結處理流程，先在200°C 條件下保溫1h 去除造孔劑成分，再在1120～1250°C 條件下保溫2h，以氮氫混合氣體作為燒結氣氛，將升溫、降溫速率均控制在每分鐘5°C 左右，完成燒結處理，并隨爐冷卻。通過觀察成品質量可以發(fā)現，燒結溫度將直接影響到不銹鋼材料的耐腐蝕性能，在高溫燒結階段當溫度由1120°C 增至1250°C時，原材料中的顆粒呈現出致密化特征，致使材料的孔隙率降低、致密度提升，由此改善不銹鋼的耐腐蝕性能。運用粉末冶金成型工藝制備出的不銹鋼產品具備更好的力學性能與耐腐蝕性能，可為工程結構件、醫(yī)用生物材料生產制造提供重要技術支持。

2.3 沖壓、擠壓和塑性成型

沖壓、擠壓和塑性成型是提高技術材料強度的工藝方法，通常需借助表面涂層、添加潤滑劑的方式調節(jié)加工過程中產品表面間的應力狀態(tài)，克服摩擦阻力、加快散熱速度，保證材料成型質量。在實際加工環(huán)節(jié)，可結合材料特性適當提高擠壓溫度或調節(jié)增強顆粒添加量，用于改善金屬基材料的可塑性，增強產品抗性變能力；同時還需控制好擠壓速率，避免因擠壓速率較快導致材料在成型后表面產生橫向裂紋，提升成品質量。以擠壓技術為例，擠壓成型工藝是指將毛坯置于擠壓凹模內，以較大壓力緩慢進行毛坯的大變形量加工，依靠材料塑性特征使坯料發(fā)生變形，生產出不同形狀的零件。通常擠壓技術依據溫度差異劃分為冷擠壓、溫擠壓、熱擠壓三類工藝方法，其中冷擠壓主要在室溫條件下進行低碳鋼等金屬材料的加工，可制備出結構簡單、表面質量好、硬度大的構件；溫擠壓是將溫度控制在回復溫度與再結晶溫度之間，適用于結構復雜的合金材料的擠壓成型，但其成型質量較差；熱擠壓是指擠壓溫度高于再結晶溫度，在金屬材料發(fā)生熱變形至應變到達極限值時，將使材料出現動態(tài)回復和再結晶，以此實現金屬材料的軟化與變形，適用于結構復雜、大體積零件的加工[2]。

以錫青銅熱擠壓成型工藝為例，將原始坯料放入感應爐中進行加熱處理，取出坯料后置于預熱200°C 的擠壓凹模中進行擠壓處理，在此過程中坯料與模具的接觸面將產生摩擦變形，與此同時出現形變強化、動態(tài)再結晶等現象，并且部分坯料在擠出凹模后將加速冷卻，由此影響到工件最終成型效果。為保證成型件加工質量符合要求，需針對熱擠壓成型工藝參數進行精細化設計：其一是熱擠壓溫度，伴隨擠壓溫度的升高，材料硬化速率呈遞減趨勢，持續(xù)增加的擠壓力在到達一定程度后將因動態(tài)再結晶出現下降趨勢，影響到擠壓件的等效塑性應變與等效應力，因此需將熱擠壓溫度控制在720°C 左右；其二是熱擠壓速度，伴隨熱擠壓速度的增大，應變速率將呈遞增趨勢，對于成型件的塑性、應變兩項性能指標構成影響，因此宜將熱擠壓速度控制在7mm/s 左右；其三是摩擦系數，伴隨摩擦系數的增大，擠壓力與塑性變形均呈遞趨勢，而等效應力則受摩擦生熱影響呈遞減趨勢，因此需將摩擦系數設為0.25。針對熱擠壓成型后的擠壓件分別進行微觀組織分析與力學性能測試，可觀察到在擠壓溫度為720°C、擠壓速度為7mm/s 的條件下，采用水基石墨潤滑處理后，擠壓件的塑性與力學性能均得到明顯改善，適用于鍋爐、海船等零部件的加工制造。

2.4 鑄造成型工藝

鑄造成型工藝被廣泛應用于有機復合材料加工環(huán)節(jié)，在加工過程中向原料內加入適量增強顆粒，能夠提高熔體流動性、加快顆粒間反應速率，以此改善材料的物理性能。在實際加工環(huán)節(jié)，操作人員需注意調節(jié)熔化速率、反應溫度、保溫時間等工藝參數，在高溫條件下向復合材料中添加適量碳化硅顆粒，用于提高界面反應速率，配合精煉工藝、加入適量變質劑等措施，優(yōu)化產品成型質量。

以振動鑄造成型技術為例，其應用原理在于金屬熔體屬于粘性流體，借助層流或紊流兩種形式流動，其中在充型與充型結束階段分別呈現為紊流、層流兩種狀態(tài)，將振動技術應用于金屬材料鑄造成型中，通過不斷提高振動頻率將加快金屬熔體紊流速度，降低鑄件殘余應力，以此優(yōu)化成品性能。例如將該工藝應用于鑄銅過程中，可使銅鑄件內部出現等軸晶，通過調節(jié)溫度、電壓等參數能夠改善晶粒分布的均勻程度，優(yōu)化鑄件性能；再如將該工藝應用于鑄鐵成型環(huán)節(jié)，選取BF-LD-TF 型雙向振動臺分別進行白口鑄鐵、球墨鑄鐵，在熔體凝固過程中將產生一定的壓力與拉力，對此還需在熔體凝固前試樣厚度較小時進行振動處理，增加初生奧氏體含量，有效提升鑄件性能[3]。

3 結論

在經濟發(fā)展新常態(tài)下，傳統(tǒng)機械制造行業(yè)正持續(xù)加快科技創(chuàng)新、驅動產業(yè)轉型升級，促使金屬材料加工工藝與機械化水平得到提升。金屬材料加工成型工藝包含機械加工、粉末冶金、鑄造成型、沖壓、擠壓和塑性成型等類型，在實際加工環(huán)節(jié)還需明確工藝流程、加強技術把關，更好地提升金屬材料的使用性能。