材料成型與控制工程模具制造技術解析

吳治明

（陜西國防工業職業技術學院 陜西 西安 710300）

1 引言

近年來，材料成型與控制工程模具制造技術快速發展，工藝過程控制優化、裝備模具升級、自動化水平提高，促進新技術和新材料以及新設備的廣泛應用，滿足各個應用方的多樣化需求，例如軌道交通和電氣電力等，獲得不錯的成績。隨著節能環保、智能高效、市場拓展目標的持續推進，行業人員積極加大相關技術的研究與創新，帶動更多行業領域的創新發展。

2 技術前沿

目前，材料的應用日益廣泛，覆蓋到電子信息領域、汽車制造與家居領域等，占據著重要的地位。將目光聚焦到半導體材料，整個產業的核心部分為芯片設計。根據公開數據顯示，芯片設計業銷售收入2019年達到2947.7億元；2020年中國芯片涉及行業市場規模將突破3500億元。從技術創新方面分析，主要包括如下：（1）半導體材料。以往的芯片制造主要使用硅基材料，隨著碳基半導體材料出現，憑借成本低和功耗小等優勢，被廣泛應用。此類材料實際上是一種一氧化石墨烯，屬于電子元件材料，具有較強的導電與導熱性能，適用于高輻射和高溫度極端環境。相比國外使用硅基技術制造的芯片，我國使用碳基技術制造的芯片具有突出優勢，尤其是大數據處理和功耗節約方面。（2）半導體激光隱形晶圓切割機。此設備的研制成功，實現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類型分析

3.1 一次成型技術

3.1.1 常用技術

對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，運用擠壓和拉拔以及軋制等方法，實現成型處理。對于強度高的金屬，采用鑄造方法能夠實現一次成型。目前，采用的一次成型技術如下：（1）擠壓成型技術。按照技術流程，將金屬工程材料，放入到對應型號模具的擠壓機械中，借助擠壓機械的力量，對材料進行加壓達到塑性變形和材料擠壓成型的效果。采用擠壓成型技術手段，不僅能夠解決產品外形線條方面存在的不流暢問題，而且表面比較平滑，產品的使用效果得到增強。技術的關鍵在于材料與擠壓模具的硬度系數比例，防止因為模具難以承受壓力造成碎裂，最終引發事故。（2）冷軋與拉拔成型技術。不同于擠壓成型技術，此技術使用冷軋機，利用軋輥開展材料的冷軋處理，適用于材質均勻的金屬工程材料。對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，借助拉拔機，對材料實施強力拉伸。技術的關鍵在于保障材料的韌性和表面摩擦系數達標，具有生產制造速度快的優勢[1]。

3.1.2 新技術

技術應用實例：汽車輕量化背景下，要求不能影響強度，同時達到減輕重量的目的。通過使用新材料與新制造工藝，促進生產周期縮短，達到降低成本的效果。目前，采用的是E-LFT混合材料成型技術，通過將長纖維增強熱塑性塑料和金屬基材成型工藝整合，使用粘合劑達到塑料與金屬板連接的目的。采用的E-LFT一次性擠壓復合工藝，先進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，再擠出機內添加玻璃纖維，最終擠出的溶體受到垂直方向的壓力產生流動。利用此工藝手段，能夠實現10～15mm長度纖維增強效果，相比注塑成型件，能夠有效提升部件強度，同時質量比較輕。基于汽車輕量化要求，為增強復合材料強度，多選擇長波纖維或者碳纖維增強，考慮到成本控制多設置在高載荷部位，例如座椅結構件等。對于高負載情況，金屬材料有著突出的優勢，塑料/金屬混合部件不僅具有輕量化特點，還具有強度優勢。采用激光技術對金屬表面進行處理，之后在一次性擠壓工序中達到塑料與金屬的復合。通過激光處理能夠實現熱塑性溶體和金屬有效結合的效果，拉伸強度大約為12MPa，剪切強度能夠達到48MPa。部分研究團隊圍繞混合材料控制臂的設計開發，進行了相應的研究。使用DP800以及PA6，利用全自動E-LFT生產線，采用25mm玻纖維增強。整個生產系統，通過在一個循環周期內直接配制60%塑料與40%玻纖維的混合物，也就是說不使用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，整個過程只需要60s。根據實驗結果顯示，新控制臂成功減重20%。除此之外，對負載較低的部件，預計減重能夠達到50%。

3.2 二次成型與控制技術

3.2.1 傳統技術

目前，常用的技術方法如下：（1）鍛造成型技術。采用鍛造二次成型與控制技術，將金屬工程材料進行加熱，達到奧氏體化溫度水平以上，之后利用機械施加沖擊和壓力，達到鍛造成型的效果。例如，碳鋼材料，其奧氏體華問題一般在727～912℃。采用此技術手段，進行鍛造成型，可方便金屬器件造型的改變。整個鍛造環節，要開展高溫加熱，增加了技術把控的難度，尤其是精密性較強的產品加工[2]。（2）沖壓成型技術。采用此技術，對低碳鋼進行處理能夠達到需求。一般來說，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，為保障技術的應用效果，要保證金屬工程材料的塑性達標。應用前做好材料塑性的試驗，避免技術應用不當造成沖壓機械破壞。（3）焊接成型技術。對于由多個組件構成的工業產品，為保證精密性或者生產效率等達到要求，采用焊接二次成型技術手段，開展組裝焊接，能夠獲得不錯的成效。根據金屬工程材料的種類與特點，選擇電氣焊和氬弧焊等技術，保障焊接的質量[3]。

3.2.2 新技術

以核電站應用情形為例分析，修建核電站有著嚴苛的要求，這是因為核電站蘊涵大量的能量，存在很大的安全隱患。若發生事故則會造成輻射外露，最終造成嚴重的后果。在進行修建時必須要做好技術的把控，保證建造的質量。目前，我國鋼鐵領域實現了技術創新，成功鍛造出無焊縫不銹鋼環形鍛件，獲得了多項目技術紀錄。此環的長度為15.6m，重量為15t，為中國第一個百噸級鍛件，已經達到鍛造件的標準。從金屬環的制造層面分析，采用的是新金屬構筑成型技術。此項技術為中科院金屬所研制，整體無縫隙焊接，均質化程度高，同時具有較好的組織均勻性。此技術研發，使得我國核電站有了自主研發的大型鍛件，突破了傳統鍛造模式。

3.3 非金屬材料成型與控制技術

從此領域的發展現狀分析，常用技術如下：（1）擠壓成型技術。同金屬材料采用的技術相比，非金屬采用的技術更具有靈活性。采用擠壓成型技術，借助液壓機與其他大型扭矩傳輸機，給材料施加強大的壓力，最終達到加壓成型的目的[4]。采用的擠壓成型技術，具有操作簡單的優勢，并且成本也比較低，為有機材料工業產品制造提供了技術支持。（2）注射成型技術。將原材料采用注射的手段，進行塑性處理。整個技術的流程為，將原材料實施熔化處理，同時放置到注射設備內，對設備施加壓力，使其內部擁有足夠的壓力，滿足注射的要求。將熔化后的非金屬材料，利用壓力動力注入到塑性模具內，經過冷卻固化之后，完成產品的制作[5]。一般來說，對于流水線制式工業品，多采用此技術手段。（3）壓制成型技術。對非金屬材料采用此技術，雖然工序步驟類似于金屬材料，不過達不到金屬材料壓制成型技術的效果。

4 材料成型與控制工程模具制造技術應用發展策略

4.1 創新發展機制

技術應用端的需求快速增加，帶動了技術創新需求的增加，為促進材料成型與控制工程模具制造技術的持續化發展，要加大相關領域技術人才的培養，為整個行業的發展注入新動力，增強發展的活力。從企業角度分析，要定期組織技術培訓，切實提高材料成型與控制工程模具制造技術水平，增強安全意識，凝聚更多的創新創造力，實現對生產的有效提高。圍繞生產端的情況，積極優化成型與控制流程，增強安全生產意識，扎實推進制造安全標準化發展[6]。

4.2 選擇適宜的材料

從當前材料成型與控制領域采用的技術手段分析，很多方法對材料的質量有著很高要求，為保障生產的效果，要選擇適宜的材料。利用高水平的精密測量儀器，例如精密硬度回彈測試儀等，為生產全過程的安全把控提供支持，使得技術人員能夠及時掌握存在的隱患與問題，切實提高技術應用的水平。需要注意的是，很多項目現場制造環境條件不佳，例如空氣濕度大等，極易給制造材料的質量性能帶來影響，因此要做好密封處理，切實保障制造的質量[7]。

4.3 加大新技術的研究

站在材料成型與控制工程模具制造技術持續化發展的角度分析，主要朝環保、智能、高效等方向發展，企業和相關研究機構以及高校等，也都在圍繞相關技術加大研究力度。若能夠掌握核心技術，實現自主研發，例如芯片材料制造技術等，對促進我國經濟發展可起到積極的作用。這需要研究人員能夠手拉手，形成強大的力量，共同促進材料成型與控制工程模具制造技術的創新與發展[8]。

4.4 把控工序流程

基于互聯網與通信技術快速發展的背景，將5G技術與物聯網技術應用到生產管理，構建智能現場監控系統、搭建遠程制造數據信息采集與管理系統，能夠為制造控制與技術研究提供有力的智慧支撐。采用物聯網技術，通過配置傳感器和網絡設施，構建數據信息采集與傳輸系統，對材料成型與控制工程生產情況實現全面掌握，能有效跟蹤與監控設備出料與運輸等各個環節，切實提高管理的水平。根據采集的數據信息，對制造技術流程進行優化與改進，切實提高生產的效率與質量[9]。

5 結語

綜上所述，材料成型與控制工程模具制造技術快速發展與創新，為制造提供了多樣化選擇。從技術的應用角度分析，若想實現技術的價值，要做好各個方面的把控，一是結合實踐提出創新發展機制；二是選擇適宜的材料；三是加大新技術的研究；四是把控工序流程等策略。