探析工程材料和热加工工艺的选择

在工程结构和机械零件的设计与制造过程中，合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作。因为设计时不仅要考虑材料的性能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料具有较好的加工工艺性和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。因此，可以说材料选用的好坏是产品设计与制造工作能否成功的重要基础。

材料选择的使用性

使用性是保证零部件完成指定功能的必要条件，它是选材的最主要依据。使用性主要是指零件在使用状态下应具有的力学性、物理性和化学性。对于机械零件，最重要的使用性是力学性。对零部件力学性的要求，一般是在分析零部件的工作条件和失效形式的基础上提出来的。根据使用性选材的步骤如下。

1.分析零部件的工作条件，确定使用性

零部件的丁作条件是复杂的。工作条件分析包括受力状态（如拉、压、弯、扭、剪切等）、载荷性质、载荷大小及分布、工作温度（低温、室温、高温、变温）、环境介质（润滑剂、酸、碱）、对零部件的特殊性要求（电、磁）等。在对工作条件进行全面分析的基础上确定零部件的使用性。

2.分析零部件的失效原因，确定主要使用性

对零部件使用性的要求往往是多项的。例如传动轴，要求其具有高的疲劳强度、韧性和轴颈的耐磨性，因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致失效的主导因素，准确确定出零部件所必需的主要使用性能。

材料的热加工工艺性能

工艺性能对大批量生产的零部件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能介绍概括如下。

1.金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的能力。金属材料的加工工艺复杂，要求的工艺性能较多，主要有机械加工性能、材料成形性能。

机械加工性能是指材料接受切削或磨削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的难易程度以及对刃具的磨损程度来衡量。硬度太高，刃具磨损严重，切削加工性下降；硬度太低，则不易断屑，切削加工性也差。铝及铝合金的机械加工性能较好，钢中以易切削钢的杌械加工性能最好，而奥氏体不锈钢及高碳高合金的高速钢的机械加工性能较差。

2.高分子材料的工艺性能

高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法较多。高分子材料的切削加工性能尚好，但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软：使热固性塑料烧焦。

3.陶瓷材料的工艺性能

陶瓷材料主要工艺也是成形加工。按零部件的形状、尺寸精度和性能要求的不同.可采用不同的成形加工方法（粉浆、热压、挤压、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金刚石砂轮进行磨削加工外，几乎不能进行任何其他切削加工。

材料的热加工工艺

1.合金的流动性

液态金属本身流动的能力称为流动性。合金的流动性好，充型能力强，易于获得尺寸准确、外形完整和轮廓清晰的铸件；不易产生浇不到、冷隔等缺陷；金属液中的非金属夹渣和气泡易于上浮排出，不易产生夹渣和气孔；流动性好的合金能很好地补充铸件凝固产生的收缩，不易产生缩孔和缩松。

2.铸造方法

首先根据零件图样制成适当的模样，并用模样和配制好的型砂制成砂型，然后将熔化的金属注入型腔，待金属液凝固冷却后，从砂型中取出铸件，最后清除铸件的附着物，经过检验获得所需铸件，造型方法有手工造型和机器造型两类。

（1）手工造型，手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作灵活，适应范围广，大小铸件均可生产，可制作复杂的铸型，工艺装备简单，设备投资少，单件、小批量生产时成本低。但劳动强度大，对工人技术水平要求高，生产效率低，铸件质量不稳定。主要用于单件、小批生产和大型铸件的生产。

（2）机器造型，机器造型主要是利用机器代替人工完成填砂、紧实和起模等工作。砂箱放在紧砂机工作台上，工作台在压缩空气作用下上下振动，初步紧实型砂。然后工作台上升，与压头接触，将型砂压实。机械装置将砂箱顶起，使砂型与模样分离。漏模机构将砂箱及砂型托住，而使模样漏下与砂型分离。砂箱和模样一同翻转180°，然后使砂箱下降，砂型与模样分离。

结束语

任何工程材料的使用都要经过一定的成形过程，不同材料与结构的零件需采用不同的成形加工方法。不同成形加工方法对不同零件的材料与结构有着不同的适应性，对材料的性和零件的质量也会产生不同的影响。因此.成形方法的选择直接影响着零件的质量、成本和生产率。科学规范的加工工艺，能够有效提高加工效率，更加节俭加工材料。所以，在今后模具设计与生产中应该对加工工艺进行深层次思考。

（作者单位：宁波工程学院）

作者简介：方杰（1992-），男，本科，宁波工程学院在读，研究方向：材料成型及控制工程。