金屬材料成形及其加工工藝淺析

張天偉

（浙江金澳蘭機床有限公司，浙江 金華 321200）

1 材料成形工藝概述

金屬材料成形工藝研究是運用力學、熱力學、材料科學等交叉學科的理論和方法，對金屬材料的加工過程進行深入研究和分析，從而實現對材料的有序改造。在材料成形過程中，注重對加工過程的有效控制，依托先進的控制技術和設備，通過對加工過程中的各個環節進行監測和調控，實現對加工質量、加工精度、加工效率等關鍵指標的控制，從而確保最終產品的合格和可靠性。此外，材料成形工藝過程還涉及材料加工過程中的能量轉化和傳遞問題，通過研究能量轉化和傳遞的規律，優化能量利用效率，降低能量損耗，提高材料加工過程的能源利用效益。

在制造業發展中，材料成形工藝的應用廣泛而深遠，為各行業提供高效、精確和可靠的金屬材料加工解決方案。

2 金屬材料特征與選材原則

（1）特征概述。金屬材料作為重要的工程材料，具有獨特的特征和性能，這些特征對于材料成形工藝起著重要作用。①金屬材料具有良好的導電性和導熱性。由于金屬材料中的自由電子密度較高，使得金屬具有優異的電導率和熱導率，能夠迅速傳導電流和熱量，適用于各種電子器件和散熱結構的應用；②具有較高的機械性能。金屬材料具有較高的強度、韌性和塑性，能夠承受較大的力和變形而不斷裂或破碎，適用于各種結構件和零部件的制造；③具有良好的可加工性。金屬材料可以通過各種加工方法進行塑性變形，如鍛造、拉伸、擠壓等，從而實現復雜形狀的制造，滿足不同工程需求。

（2）選材原則。在材料成形工藝過程中，合理選擇金屬材料是確保產品質量和工藝效率的重要因素。以下是一些常用的選材原則：①根據工程需求選擇合適的金屬材料。不同工程領域對材料的性能和特點有不同的要求，因此需要根據具體的工程需求選擇具備相應特性的金屬材料。例如，在高溫環境下工作的零件可以選擇耐熱合金材料，而對于耐腐蝕要求較高的場合可以選擇耐腐蝕性能良好的不銹鋼材料；②考慮材料的可加工性。在進行金屬材料加工時，材料的可加工性是一個重要的考慮因素。不同的加工方法對材料的可塑性、韌性和硬度等性能有不同的要求，因此需要選擇適合加工方法的金屬材料，以確保加工過程的順利進行；③經濟性選材。在進行材料選擇時，需要綜合考慮材料的價格、加工成本和性能要求等因素，以達到經濟高效的目標；④注重環境友好性。隨著環境保護意識的提高，對于材料的環境友好性要求也越來越高。選擇具有較低環境污染和可回收利用性能的金屬材料，有助于減少對環境的負面影響。

3 材料加工工藝淺析

（1）鑄造工藝。鑄造工藝是通過將熔化的金屬注入模具中，使其在冷卻凝固后得到所需形狀的工件的工藝過程。在鑄造過程中，可根據需要選用不同的鑄造方法，如砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等。這些方法在不同應用領域具有各自的特點和優勢。例如，砂型鑄造適用于大型工件的生產，而金屬型鑄造則適用于高精度要求的工件制造。

（2）焊接工藝。焊接工藝是將金屬材料通過加熱或加壓使其熔化，并使相鄰的金屬材料結合在一起的過程。常見的焊接方法包括電弧焊、氣體保護焊、激光焊等。焊接工藝廣泛應用于制造業中，可以用于連接不同材料的工件，修復損壞的零部件以及制造復雜結構的組裝件。焊接工藝的選擇取決于工件的材料、形狀和應用要求。

（3）切削工藝。切削工藝是通過將金屬材料從工件上切削下來，以得到所需形狀和尺寸的工件。常見的切削工藝包括車削、銑削、鉆削等。切削工藝通常需要使用刀具與工件之間的相對運動來實現金屬材料的去除。切削工藝在制造業中廣泛應用，可用于加工各種形狀和材料的工件，如軸、齒輪、孔等。

（4）鍛壓工藝。鍛壓工藝是通過對金屬材料施加壓力，使其在高溫或室溫下發生塑性變形，從而得到所需形狀的工件。常見的鍛壓工藝包括冷鍛、熱鍛、擠壓等。鍛壓工藝可以提高金屬材料的密度和力學性能，并改善其組織結構。鍛壓工藝廣泛應用于航空航天、汽車、機械等領域，用于制造高強度和高精度要求的零部件。

4 幾種成形工藝方法

（1）模鍛與擠壓。鍛模塑性與擠壓成形，通過施加壓力和溫度對金屬材料進行塑性變形，從而得到所需形狀和尺寸的工件。在模鍛成形過程中，金屬材料被置于一個特制的模具中，在受到強大的壓力作用下，發生可逆的塑性變形。這種變形可以改變金屬材料的晶粒結構和機械性能。常見的模鍛成形工藝包括冷鍛和熱鍛。冷鍛適用于低溫下對金屬材料進行塑性變形，通常用于制造高強度和高精度的零部件。熱鍛則在高溫條件下進行，可以改善金屬的塑性和變形能力，適用于制造大型和復雜形狀的工件。擠壓成形則是一種通過將金屬材料擠壓通過特制的模具來實現塑性變形的工藝。在擠壓過程中，金屬材料被迫通過模具的孔道，使其截面積減小，從而得到所需的形狀和尺寸。擠壓成形可以用于生產長條狀或異型截面的工件，如管材、型材等。

模鍛與擠壓成形工藝具有廣泛的應用場合。它們不僅可以滿足不同形狀和尺寸的工件需求，還能夠提高金屬材料的強度、硬度和耐磨性。此外，通過控制工藝參數，如溫度、壓力和變形速率等，還可以調控材料的微觀結構和性能，進一步優化產品的品質和性能，從而為各行各業提供高效、精確和可靠的金屬材料加工解決方案。

（2）焊接成形工藝。常見的焊接工藝包括電弧焊、氣體保護焊、激光焊等。在電弧焊中，通過電弧的高溫作用，使金屬材料局部熔化并形成焊縫。氣體保護焊使用惰性氣體（如氬氣）來保護焊接區域，防止氧化和污染，從而獲得高質量的焊縫。激光焊利用激光束的高能量密度，快速將金屬材料熔化并連接在一起。焊接成形的選擇取決于工件的材料、形狀和應用要求。不同的焊接方法具有各自的特點和適用范圍。例如，電弧焊適用于焊接較厚的金屬板材，而激光焊則適用于對細小和復雜結構進行精確焊接。焊接成形的成功與否不僅取決于焊接工藝的選擇，還取決于焊接參數的控制和操作人員的技能。焊接成形應用廣泛，例如在汽車制造中，可以通過焊接成形來制造車身零部件的復雜結構和外觀。

（3）粉末冶金。粉末冶金是一種特殊的金屬材料加工工藝，通過將金屬粉末在高溫和高壓條件下進行成形和燒結，制備出具有特定形狀和性能的工件。粉末冶金工藝廣泛應用于制造復雜形狀、高精度和高性能的零部件。粉末冶金的過程包括粉末制備、成形和燒結三個主要步驟。首先通過物理或化學方法將金屬材料加工成細小的粉末；然后，將粉末放入模具中，通過壓制、注射成形等方式使其獲得所需的形狀；最后，將成形后的工件在高溫下進行燒結，使金屬粉末顆粒之間發生結合，形成致密的材料。

粉末冶金具有許多優點：可以利用廢料、回收材料和合金粉末等資源，實現材料的充分利用和資源的節約；由于粉末冶金是在固態下進行的，不需要液態熔融過程，因此避免了材料的氧化和污染；粉末冶金還可以制備出具有均勻組織、高密度和高強度的材料。

粉末冶金廣泛應用于各個領域。在汽車工業中，粉末冶金可用于制造發動機零部件、傳動系統和底盤組件等。在電子行業中，粉末冶金可用于制造電子器件、導電材料和磁性材料等。在航空航天領域，粉末冶金可用于制造輕質高強度的結構材料和復合材料。

（4）熱處理法。熱處理是一種通過控制金屬材料的加熱和冷卻過程，改變其組織結構和性能的工藝。通過適當的加熱和冷卻過程，可以調控金屬材料的晶粒尺寸、相比例和相形態，從而改善其力學性能、耐腐蝕性能和熱穩定性。

熱處理通常包括加熱、保溫和冷卻三個步驟。加熱過程中，金屬材料被加熱到特定溫度區間，使其達到所需的相變溫度。保溫過程中，金屬材料在特定溫度下保持一段時間，以確保相變充分進行。冷卻過程中，金屬材料被迅速冷卻到室溫或其他指定溫度，以固定其新的組織結構。常見的熱處理方法包括退火、淬火、回火等。退火是將金屬材料加熱到臨界溫度以上，然后緩慢冷卻至室溫。這種處理方法能夠消除材料內部的殘余應力和組織缺陷，提高其塑性和韌性。淬火是將金屬材料迅速冷卻至室溫以下，以形成硬質的組織結構，提高其硬度和強度。回火是在淬火后將金屬材料重新加熱到適當溫度，然后進行緩慢冷卻，以調整其硬度和韌性之間的平衡。

熱處理工藝的選擇取決于金屬材料的成分、形狀和應用要求。通過合理地設計和控制熱處理工藝參數，如加熱溫度、保溫時間和冷卻速率等，可以實現對金屬材料性能的精確調控，滿足高強度、高耐久性和高可靠性的工件需求。

5 結語

隨著經濟與科技的發展，金屬材料成形工藝在我國得到迅速發展，具有廣闊的發展前景。通過不斷努力和創新，金屬材料工藝方法將為我國制造業的發展提供更好的支持，促進我國工業結構的優化升級，提高產品質量和競爭力，推動科技進步和經濟發展。