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(xué)，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(chǎn)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價值，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)通常需將金屬單質(zhì)、有機(jī)復(fù)合材料適量添加在金屬原料中，用于改善金屬的強(qiáng)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(shù)的應(yīng)用提出嚴(yán)格要求，以此保證材料成型質(zhì)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(xué)、成型工藝、自動控制等多項(xiàng)學(xué)科內(nèi)容，主要通過分析材料結(jié)構(gòu)與表面形態(tài)特征進(jìn)行材料加工與成型方法的研究。當(dāng)前材料成型與控制技術(shù)在機(jī)械制造、航空航天、船舶與電力制造等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，對于制造業(yè)產(chǎn)品加工質(zhì)量、模具和設(shè)備制造效率具有直接影響。金屬材料作為機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)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(shù)類型，其加工工藝的選擇與控制將直接影響到材料成型質(zhì)量與使用性能，因此還需針對金屬材料的理化性質(zhì)進(jìn)行科學(xué)測定，并結(jié)合材料特征進(jìn)行成型工藝選擇，提升成型后產(chǎn)品的質(zhì)量與使用性能。

2 金屬材料加工成型技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 機(jī)械加工成型

機(jī)械加工成型是一種常規(guī)加工方法，現(xiàn)階段已由車、銑、刨、磨等傳統(tǒng)工藝流程發(fā)展為利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行綜合加工，使得加工質(zhì)量、效率與精度均得到顯著提升。在實(shí)際操作環(huán)節(jié)，需結(jié)合產(chǎn)品加工要求與材料特性進(jìn)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(jìn)行鉆、銑加工，或選取硬質(zhì)合金類刀具進(jìn)行車削加工，并采用表面涂層技術(shù)，配合乳化液進(jìn)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(zhì)量；針對表面質(zhì)量要求高的產(chǎn)品，可運(yùn)用磨削加工與拋光處理方法；針對形狀具有特殊要求的產(chǎn)品，可引入線切割、電火花等特殊工藝[1]。

同時，當(dāng)前金屬材料快速成型技術(shù)的應(yīng)用范圍逐步拓寬，具有操作便捷、效率高、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等應(yīng)用優(yōu)勢。快速成型技術(shù)的應(yīng)用原理是利用CAD 軟件繪制出機(jī)械材料模型，借助三維測量技術(shù)、快速制造模具等方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速成型。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)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(shù)進(jìn)行材料生產(chǎn)，利用CAD 軟件繪制出模型，完成機(jī)械零件產(chǎn)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(jié)技術(shù)獲取金屬實(shí)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(chǎn)要求；其二是間接制模，基于快速成型技術(shù)制備出模芯，采用精密鑄造、粉末燒結(jié)等技術(shù)完成模具復(fù)制處理，再恢復(fù)模型表面，最終完成金屬模具的制造。將快速成型技術(shù)應(yīng)用于微機(jī)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(chǎn)出尺寸不足1cm3的零件，通過點(diǎn)固化單元、約束液片、刮平裝置、矢量掃描、BPM 數(shù)據(jù)格式完成機(jī)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(yīng)用于復(fù)合材料零件加工，具有材料適應(yīng)性強(qiáng)、增強(qiáng)相分布均勻、工藝流程精簡、組織細(xì)密、界面反應(yīng)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(yīng)用于形狀規(guī)則、開模為2～3 個分型面的產(chǎn)品，適用于批量化生產(chǎn)；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(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)；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(xiàn)為“配料——混料——成型——脫脂——燒結(jié)——后處理”六個環(huán)節(jié)，以注射成型工藝為例，在燒結(jié)后形成的鑄件具有組織致密、尺寸精度高、表面質(zhì)量好、機(jī)械性能強(qiáng)等特征，密度保持在7.6～7.8g/cm3范圍內(nèi)，在后處理環(huán)節(jié)可選用熱處理、機(jī)械加工等技術(shù)完成產(chǎn)品制造，保證產(chǎn)品具備良好的應(yīng)用性能。當(dāng)前粉末冶金成型工藝的自動化水平呈現(xiàn)出顯著提升，可為齒輪、扳機(jī)、止血鉗、手機(jī)按鍵等形狀復(fù)雜、機(jī)械精度與表觀質(zhì)量要求高的零部件生產(chǎn)提供技術(shù)支持，以低成本、高效率和良好性能服務(wù)于零件制造領(lǐng)域，更好地提升零部件加工生產(chǎn)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(xué)性能、減震性與耐腐蝕性的材料，適用于制備工程結(jié)構(gòu)件、醫(yī)用器械等產(chǎn)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(jī)內(nèi)部運(yùn)作24h；待材料充分混合后送入抽壓機(jī)內(nèi)，以374MPa 的壓力將原料冷壓成型；進(jìn)入燒結(jié)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?dú)浠旌蠚怏w作為燒結(jié)氣氛，將升溫、降溫速率均控制在每分鐘5°C 左右，完成燒結(jié)處理，并隨爐冷卻。通過觀察成品質(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度將直接影響到不銹鋼材料的耐腐蝕性能，在高溫?zé)Y(jié)階段當(dāng)溫度由1120°C 增至1250°C時，原材料中的顆粒呈現(xiàn)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(yùn)用粉末冶金成型工藝制備出的不銹鋼產(chǎn)品具備更好的力學(xué)性能與耐腐蝕性能，可為工程結(jié)構(gòu)件、醫(yī)用生物材料生產(chǎn)制造提供重要技術(shù)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(shù)材料強(qiáng)度的工藝方法，通常需借助表面涂層、添加潤滑劑的方式調(diào)節(jié)加工過程中產(chǎn)品表面間的應(yīng)力狀態(tài)，克服摩擦阻力、加快散熱速度，保證材料成型質(zhì)量。在實(shí)際加工環(huán)節(jié)，可結(jié)合材料特性適當(dāng)提高擠壓溫度或調(diào)節(jié)增強(qiáng)顆粒添加量，用于改善金屬基材料的可塑性，增強(qiáng)產(chǎn)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(dǎo)致材料在成型后表面產(chǎn)生橫向裂紋，提升成品質(zhì)量。以擠壓技術(shù)為例，擠壓成型工藝是指將毛坯置于擠壓凹模內(nèi)，以較大壓力緩慢進(jìn)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(chǎn)出不同形狀的零件。通常擠壓技術(shù)依據(jù)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(jìn)行低碳鋼等金屬材料的加工，可制備出結(jié)構(gòu)簡單、表面質(zhì)量好、硬度大的構(gòu)件；溫擠壓是將溫度控制在回復(fù)溫度與再結(jié)晶溫度之間，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的合金材料的擠壓成型，但其成型質(zhì)量較差；熱擠壓是指擠壓溫度高于再結(jié)晶溫度，在金屬材料發(fā)生熱變形至應(yīng)變到達(dá)極限值時，將使材料出現(xiàn)動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶，以此實(shí)現(xiàn)金屬材料的軟化與變形，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)爐中進(jìn)行加熱處理，取出坯料后置于預(yù)熱200°C 的擠壓凹模中進(jìn)行擠壓處理，在此過程中坯料與模具的接觸面將產(chǎn)生摩擦變形，與此同時出現(xiàn)形變強(qiáng)化、動態(tài)再結(jié)晶等現(xiàn)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(zhì)量符合要求，需針對熱擠壓成型工藝參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)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(dá)一定程度后將因動態(tài)再結(jié)晶出現(xiàn)下降趨勢，影響到擠壓件的等效塑性應(yīng)變與等效應(yīng)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(yīng)變速率將呈遞增趨勢，對于成型件的塑性、應(yīng)變兩項(xiàng)性能指標(biāo)構(gòu)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(shù)，伴隨摩擦系數(shù)的增大，擠壓力與塑性變形均呈遞趨勢，而等效應(yīng)力則受摩擦生熱影響呈遞減趨勢，因此需將摩擦系數(shù)設(shè)為0.25。針對熱擠壓成型后的擠壓件分別進(jìn)行微觀組織分析與力學(xué)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(xué)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(yīng)用于有機(jī)復(fù)合材料加工環(huán)節(jié)，在加工過程中向原料內(nèi)加入適量增強(qiáng)顆粒，能夠提高熔體流動性、加快顆粒間反應(yīng)速率，以此改善材料的物理性能。在實(shí)際加工環(huán)節(jié)，操作人員需注意調(diào)節(jié)熔化速率、反應(yīng)溫度、保溫時間等工藝參數(shù)，在高溫條件下向復(fù)合材料中添加適量碳化硅顆粒，用于提高界面反應(yīng)速率，配合精煉工藝、加入適量變質(zhì)劑等措施，優(yōu)化產(chǎn)品成型質(zhì)量。

以振動鑄造成型技術(shù)為例，其應(yīng)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(jié)束階段分別呈現(xiàn)為紊流、層流兩種狀態(tài)，將振動技術(shù)應(yīng)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(yīng)力，以此優(yōu)化成品性能。例如將該工藝應(yīng)用于鑄銅過程中，可使銅鑄件內(nèi)部出現(xiàn)等軸晶，通過調(diào)節(jié)溫度、電壓等參數(shù)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(yīng)用于鑄鐵成型環(huán)節(jié)，選取BF-LD-TF 型雙向振動臺分別進(jìn)行白口鑄鐵、球墨鑄鐵，在熔體凝固過程中將產(chǎn)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(jìn)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(jié)論

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下，傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)正持續(xù)加快科技創(chuàng)新、驅(qū)動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，促使金屬材料加工工藝與機(jī)械化水平得到提升。金屬材料加工成型工藝包含機(jī)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(shí)際加工環(huán)節(jié)還需明確工藝流程、加強(qiáng)技術(shù)把關(guān)，更好地提升金屬材料的使用性能。