材料成型與控制工程模具制造技術(shù)解析

吳治明

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710300）

1 引言

近年來(lái)，材料成型與控制工程模具制造技術(shù)快速發(fā)展，工藝過(guò)程控制優(yōu)化、裝備模具升級(jí)、自動(dòng)化水平提高，促進(jìn)新技術(shù)和新材料以及新設(shè)備的廣泛應(yīng)用，滿足各個(gè)應(yīng)用方的多樣化需求，例如軌道交通和電氣電力等，獲得不錯(cuò)的成績(jī)。隨著節(jié)能環(huán)保、智能高效、市場(chǎng)拓展目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，行業(yè)人員積極加大相關(guān)技術(shù)的研究與創(chuàng)新，帶動(dòng)更多行業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

2 技術(shù)前沿

目前，材料的應(yīng)用日益廣泛，覆蓋到電子信息領(lǐng)域、汽車制造與家居領(lǐng)域等，占據(jù)著重要的地位。將目光聚焦到半導(dǎo)體材料，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的核心部分為芯片設(shè)計(jì)。根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，芯片設(shè)計(jì)業(yè)銷售收入2019年達(dá)到2947.7億元；2020年中國(guó)芯片涉及行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將突破3500億元。從技術(shù)創(chuàng)新方面分析，主要包括如下：（1）半導(dǎo)體材料。以往的芯片制造主要使用硅基材料，隨著碳基半導(dǎo)體材料出現(xiàn)，憑借成本低和功耗小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用。此類材料實(shí)際上是一種一氧化石墨烯，屬于電子元件材料，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能，適用于高輻射和高溫度極端環(huán)境。相比國(guó)外使用硅基技術(shù)制造的芯片，我國(guó)使用碳基技術(shù)制造的芯片具有突出優(yōu)勢(shì)，尤其是大數(shù)據(jù)處理和功耗節(jié)約方面。（2）半導(dǎo)體激光隱形晶圓切割機(jī)。此設(shè)備的研制成功，實(shí)現(xiàn)了最佳光波與切割工藝，為芯片材料的制造提供支持。

3 材料成型與控制工程模具制造技術(shù)類型分析

3.1 一次成型技術(shù)

3.1.1 常用技術(shù)

對(duì)于硬度低并且具有較好塑性的材料，例如鎂合金等，采用一次成型技術(shù)，運(yùn)用擠壓和拉拔以及軋制等方法，實(shí)現(xiàn)成型處理。對(duì)于強(qiáng)度高的金屬，采用鑄造方法能夠?qū)崿F(xiàn)一次成型。目前，采用的一次成型技術(shù)如下：（1）擠壓成型技術(shù)。按照技術(shù)流程，將金屬工程材料，放入到對(duì)應(yīng)型號(hào)模具的擠壓機(jī)械中，借助擠壓機(jī)械的力量，對(duì)材料進(jìn)行加壓達(dá)到塑性變形和材料擠壓成型的效果。采用擠壓成型技術(shù)手段，不僅能夠解決產(chǎn)品外形線條方面存在的不流暢問題，而且表面比較平滑，產(chǎn)品的使用效果得到增強(qiáng)。技術(shù)的關(guān)鍵在于材料與擠壓模具的硬度系數(shù)比例，防止因?yàn)槟＞唠y以承受壓力造成碎裂，最終引發(fā)事故。（2）冷軋與拉拔成型技術(shù)。不同于擠壓成型技術(shù)，此技術(shù)使用冷軋機(jī)，利用軋輥開展材料的冷軋?zhí)幚?，適用于材質(zhì)均勻的金屬工程材料。對(duì)于冷軋生成熱的問題，可采取冷卻或者其他方式處理。采用的拉拔成型技術(shù)，借助拉拔機(jī)，對(duì)材料實(shí)施強(qiáng)力拉伸。技術(shù)的關(guān)鍵在于保障材料的韌性和表面摩擦系數(shù)達(dá)標(biāo)，具有生產(chǎn)制造速度快的優(yōu)勢(shì)[1]。

3.1.2 新技術(shù)

技術(shù)應(yīng)用實(shí)例：汽車輕量化背景下，要求不能影響強(qiáng)度，同時(shí)達(dá)到減輕重量的目的。通過(guò)使用新材料與新制造工藝，促進(jìn)生產(chǎn)周期縮短，達(dá)到降低成本的效果。目前，采用的是E-LFT混合材料成型技術(shù)，通過(guò)將長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料和金屬基材成型工藝整合，使用粘合劑達(dá)到塑料與金屬板連接的目的。采用的E-LFT一次性擠壓復(fù)合工藝，先進(jìn)行熱塑性聚丙烯或者聚酰胺材料的模壓成型處理，完成塑料顆粒的熔化處理后，再擠出機(jī)內(nèi)添加玻璃纖維，最終擠出的溶體受到垂直方向的壓力產(chǎn)生流動(dòng)。利用此工藝手段，能夠?qū)崿F(xiàn)10～15mm長(zhǎng)度纖維增強(qiáng)效果，相比注塑成型件，能夠有效提升部件強(qiáng)度，同時(shí)質(zhì)量比較輕?；谄囕p量化要求，為增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度，多選擇長(zhǎng)波纖維或者碳纖維增強(qiáng)，考慮到成本控制多設(shè)置在高載荷部位，例如座椅結(jié)構(gòu)件等。對(duì)于高負(fù)載情況，金屬材料有著突出的優(yōu)勢(shì)，塑料/金屬混合部件不僅具有輕量化特點(diǎn)，還具有強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。采用激光技術(shù)對(duì)金屬表面進(jìn)行處理，之后在一次性擠壓工序中達(dá)到塑料與金屬的復(fù)合。通過(guò)激光處理能夠?qū)崿F(xiàn)熱塑性溶體和金屬有效結(jié)合的效果，拉伸強(qiáng)度大約為12MPa，剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到48MPa。部分研究團(tuán)隊(duì)圍繞混合材料控制臂的設(shè)計(jì)開發(fā)，進(jìn)行了相應(yīng)的研究。使用DP800以及PA6，利用全自動(dòng)E-LFT生產(chǎn)線，采用25mm玻纖維增強(qiáng)。整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，通過(guò)在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)直接配制60%塑料與40%玻纖維的混合物，也就是說(shuō)不使用PA GF40棒狀顆粒原料，使用聚酰胺、添加劑以及玻璃纖維直接混配擠出，整個(gè)過(guò)程只需要60s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，新控制臂成功減重20%。除此之外，對(duì)負(fù)載較低的部件，預(yù)計(jì)減重能夠達(dá)到50%。

3.2 二次成型與控制技術(shù)

3.2.1 傳統(tǒng)技術(shù)

目前，常用的技術(shù)方法如下：（1）鍛造成型技術(shù)。采用鍛造二次成型與控制技術(shù)，將金屬工程材料進(jìn)行加熱，達(dá)到奧氏體化溫度水平以上，之后利用機(jī)械施加沖擊和壓力，達(dá)到鍛造成型的效果。例如，碳鋼材料，其奧氏體華問題一般在727～912℃。采用此技術(shù)手段，進(jìn)行鍛造成型，可方便金屬器件造型的改變。整個(gè)鍛造環(huán)節(jié)，要開展高溫加熱，增加了技術(shù)把控的難度，尤其是精密性較強(qiáng)的產(chǎn)品加工[2]。（2）沖壓成型技術(shù)。采用此技術(shù)，對(duì)低碳鋼進(jìn)行處理能夠達(dá)到需求。一般來(lái)說(shuō)，金屬工程材料的塑性水平高低通常由金屬的含碳量決定。若含碳量高，則塑性越差。采用沖壓成型技術(shù)，為保障技術(shù)的應(yīng)用效果，要保證金屬工程材料的塑性達(dá)標(biāo)。應(yīng)用前做好材料塑性的試驗(yàn)，避免技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)造成沖壓機(jī)械破壞。（3）焊接成型技術(shù)。對(duì)于由多個(gè)組件構(gòu)成的工業(yè)產(chǎn)品，為保證精密性或者生產(chǎn)效率等達(dá)到要求，采用焊接二次成型技術(shù)手段，開展組裝焊接，能夠獲得不錯(cuò)的成效。根據(jù)金屬工程材料的種類與特點(diǎn)，選擇電氣焊和氬弧焊等技術(shù)，保障焊接的質(zhì)量[3]。

3.2.2 新技術(shù)

以核電站應(yīng)用情形為例分析，修建核電站有著嚴(yán)苛的要求，這是因?yàn)楹穗娬咎N(yùn)涵大量的能量，存在很大的安全隱患。若發(fā)生事故則會(huì)造成輻射外露，最終造成嚴(yán)重的后果。在進(jìn)行修建時(shí)必須要做好技術(shù)的把控，保證建造的質(zhì)量。目前，我國(guó)鋼鐵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新，成功鍛造出無(wú)焊縫不銹鋼環(huán)形鍛件，獲得了多項(xiàng)目技術(shù)紀(jì)錄。此環(huán)的長(zhǎng)度為15.6m，重量為15t，為中國(guó)第一個(gè)百噸級(jí)鍛件，已經(jīng)達(dá)到鍛造件的標(biāo)準(zhǔn)。從金屬環(huán)的制造層面分析，采用的是新金屬構(gòu)筑成型技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)為中科院金屬所研制，整體無(wú)縫隙焊接，均質(zhì)化程度高，同時(shí)具有較好的組織均勻性。此技術(shù)研發(fā)，使得我國(guó)核電站有了自主研發(fā)的大型鍛件，突破了傳統(tǒng)鍛造模式。

3.3 非金屬材料成型與控制技術(shù)

從此領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀分析，常用技術(shù)如下：（1）擠壓成型技術(shù)。同金屬材料采用的技術(shù)相比，非金屬采用的技術(shù)更具有靈活性。采用擠壓成型技術(shù)，借助液壓機(jī)與其他大型扭矩傳輸機(jī)，給材料施加強(qiáng)大的壓力，最終達(dá)到加壓成型的目的[4]。采用的擠壓成型技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，并且成本也比較低，為有機(jī)材料工業(yè)產(chǎn)品制造提供了技術(shù)支持。（2）注射成型技術(shù)。將原材料采用注射的手段，進(jìn)行塑性處理。整個(gè)技術(shù)的流程為，將原材料實(shí)施熔化處理，同時(shí)放置到注射設(shè)備內(nèi)，對(duì)設(shè)備施加壓力，使其內(nèi)部擁有足夠的壓力，滿足注射的要求。將熔化后的非金屬材料，利用壓力動(dòng)力注入到塑性模具內(nèi)，經(jīng)過(guò)冷卻固化之后，完成產(chǎn)品的制作[5]。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于流水線制式工業(yè)品，多采用此技術(shù)手段。（3）壓制成型技術(shù)。對(duì)非金屬材料采用此技術(shù)，雖然工序步驟類似于金屬材料，不過(guò)達(dá)不到金屬材料壓制成型技術(shù)的效果。

4 材料成型與控制工程模具制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展策略

4.1 創(chuàng)新發(fā)展機(jī)制

技術(shù)應(yīng)用端的需求快速增加，帶動(dòng)了技術(shù)創(chuàng)新需求的增加，為促進(jìn)材料成型與控制工程模具制造技術(shù)的持續(xù)化發(fā)展，要加大相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人才的培養(yǎng)，為整個(gè)行業(yè)的發(fā)展注入新動(dòng)力，增強(qiáng)發(fā)展的活力。從企業(yè)角度分析，要定期組織技術(shù)培訓(xùn)，切實(shí)提高材料成型與控制工程模具制造技術(shù)水平，增強(qiáng)安全意識(shí)，凝聚更多的創(chuàng)新創(chuàng)造力，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的有效提高。圍繞生產(chǎn)端的情況，積極優(yōu)化成型與控制流程，增強(qiáng)安全生產(chǎn)意識(shí)，扎實(shí)推進(jìn)制造安全標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展[6]。

4.2 選擇適宜的材料

從當(dāng)前材料成型與控制領(lǐng)域采用的技術(shù)手段分析，很多方法對(duì)材料的質(zhì)量有著很高要求，為保障生產(chǎn)的效果，要選擇適宜的材料。利用高水平的精密測(cè)量?jī)x器，例如精密硬度回彈測(cè)試儀等，為生產(chǎn)全過(guò)程的安全把控提供支持，使得技術(shù)人員能夠及時(shí)掌握存在的隱患與問題，切實(shí)提高技術(shù)應(yīng)用的水平。需要注意的是，很多項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)制造環(huán)境條件不佳，例如空氣濕度大等，極易給制造材料的質(zhì)量性能帶來(lái)影響，因此要做好密封處理，切實(shí)保障制造的質(zhì)量[7]。

4.3 加大新技術(shù)的研究

站在材料成型與控制工程模具制造技術(shù)持續(xù)化發(fā)展的角度分析，主要朝環(huán)保、智能、高效等方向發(fā)展，企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)以及高校等，也都在圍繞相關(guān)技術(shù)加大研究力度。若能夠掌握核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，例如芯片材料制造技術(shù)等，對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展可起到積極的作用。這需要研究人員能夠手拉手，形成強(qiáng)大的力量，共同促進(jìn)材料成型與控制工程模具制造技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展[8]。

4.4 把控工序流程

基于互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)快速發(fā)展的背景，將5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)管理，構(gòu)建智能現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、搭建遠(yuǎn)程制造數(shù)據(jù)信息采集與管理系統(tǒng)，能夠?yàn)橹圃炜刂婆c技術(shù)研究提供有力的智慧支撐。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)配置傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，構(gòu)建數(shù)據(jù)信息采集與傳輸系統(tǒng)，對(duì)材料成型與控制工程生產(chǎn)情況實(shí)現(xiàn)全面掌握，能有效跟蹤與監(jiān)控設(shè)備出料與運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)，切實(shí)提高管理的水平。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息，對(duì)制造技術(shù)流程進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，切實(shí)提高生產(chǎn)的效率與質(zhì)量[9]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，材料成型與控制工程模具制造技術(shù)快速發(fā)展與創(chuàng)新，為制造提供了多樣化選擇。從技術(shù)的應(yīng)用角度分析，若想實(shí)現(xiàn)技術(shù)的價(jià)值，要做好各個(gè)方面的把控，一是結(jié)合實(shí)踐提出創(chuàng)新發(fā)展機(jī)制；二是選擇適宜的材料；三是加大新技術(shù)的研究；四是把控工序流程等策略。