材料成型与控制工程之金属材料加工分析

2020-03-02郜一帆GAOYifan

价值工程 2020年35期

郜一帆GAO Yi-fan

（西北工业大学，西安710072）

0 引言

金属材料在电力制造、航空航天等多个国民生产领域具有广泛应用价值，在实际生产环节通常需将金属单质、有机复合材料适量添加在金属原料中，用于改善金属的强度、耐磨性及抗性变等性能，但也将提高金属材料加工难度，对于材料成型工艺流程与控制技术的应用提出严格要求，以此保证材料成型质量。

1 材料成型与控制工程概述

材料成型与控制工程集成材料科学、成型工艺、自动控制等多项学科内容，主要通过分析材料结构与表面形态特征进行材料加工与成型方法的研究。当前材料成型与控制技术在机械制造、航空航天、船舶与电力制造等领域均得到广泛应用，对于制造业产品加工质量、模具和设备制造效率具有直接影响。金属材料作为机械制造业生产环节应用到的主要原料，在加工成型过程中涉及到焊接、冲压、挤压、锻造、铸造等多种技术类型，其加工工艺的选择与控制将直接影响到材料成型质量与使用性能，因此还需针对金属材料的理化性质进行科学测定，并结合材料特征进行成型工艺选择，提升成型后产品的质量与使用性能。

2 金属材料加工成型技术及其应用

2.1 机械加工成型

机械加工成型是一种常规加工方法，现阶段已由车、铣、刨、磨等传统工艺流程发展为利用数控机床进行综合加工，使得加工质量、效率与精度均得到显著提升。在实际操作环节，需结合产品加工要求与材料特性进行工艺路线的编制，合理采用钻、铣、车等工艺，并做好金属切割刀具的选择。例如针对硬度低的金属材料，可选取高速钢材料进行钻、铣加工，或选取硬质合金类刀具进行车削加工，并采用表面涂层技术，配合乳化液进行冷却处理，延长刀具使用寿命；针对硬度高的金属材料，可选用金刚石刀具，配合切削液的使用减小摩擦、增加散热，提高材料加工质量；针对表面质量要求高的产品，可运用磨削加工与抛光处理方法；针对形状具有特殊要求的产品，可引入线切割、电火花等特殊工艺[1]。

同时，当前金属材料快速成型技术的应用范围逐步拓宽，具有操作便捷、效率高、可实现远程控制等应用优势。快速成型技术的应用原理是利用CAD 软件绘制出机械材料模型，借助三维测量技术、快速制造模具等方式实现产品快速成型。该技术在实际应用环节分为两种类型：其一是直接制模，通常选用LOM 工艺成型技术进行材料生产，利用CAD 软件绘制出模型，完成机械零件产品的表面处理，采用砂型铸造方法完成铸模，再利用选择性激光烧结技术获取金属实体，最后通过将聚合物分解完成金属制品的制造，满足批量化生产要求；其二是间接制模，基于快速成型技术制备出模芯，采用精密铸造、粉末烧结等技术完成模具复制处理，再恢复模型表面，最终完成金属模具的制造。将快速成型技术应用于微机械加工环节，可利用液态树脂光固化塑成型工艺生产出尺寸不足1cm3的零件，通过点固化单元、约束液片、刮平装置、矢量扫描、BPM 数据格式完成机械加工制造。

2.2 粉末冶金成型

粉末冶金成型工艺最早被应用于复合材料零件加工，具有材料适应性强、增强相分布均匀、工艺流程精简、组织细密、界面反应少等性能特征，其成型方式大体分为三种类型：其一是压制成型工艺，主要应用于形状规则、开模为2～3 个分型面的产品，适用于批量化生产；其二是注射成型工艺，用于加工形状特殊、体积较小、性能要求高的产品，可实现批量化生产；其三是3D 打印成型工艺，主要用于制作试样，但成本较高、工艺不成熟。粉末冶金成型的常规工艺流程表现为“配料——混料——成型——脱脂——烧结——后处理”六个环节，以注射成型工艺为例，在烧结后形成的铸件具有组织致密、尺寸精度高、表面质量好、机械性能强等特征，密度保持在7.6～7.8g/cm3范围内，在后处理环节可选用热处理、机械加工等技术完成产品制造，保证产品具备良好的应用性能。当前粉末冶金成型工艺的自动化水平呈现出显著提升，可为齿轮、扳机、止血钳、手机按键等形状复杂、机械精度与表观质量要求高的零部件生产提供技术支持，以低成本、高效率和良好性能服务于零件制造领域，更好地提升零部件加工生产效率。

以奥氏体不锈钢的加工制备为例，多孔高氮无镍奥氏体不锈钢是一种具备良好力学性能、减震性与耐腐蚀性的材料，适用于制备工程结构件、医用器械等产品。采用粉末冶金成型工艺制备该金属材料，主要选取尺寸为13μm 的含氮双相不锈钢粉末作为原料，以碳酸氢铵作为造孔剂；在原材料中添加造孔剂，置于V 型混合机内部运作24h；待材料充分混合后送入抽压机内，以374MPa 的压力将原料冷压成型；进入烧结处理流程，先在200°C 条件下保温1h 去除造孔剂成分，再在1120～1250°C 条件下保温2h，以氮氢混合气体作为烧结气氛，将升温、降温速率均控制在每分钟5°C 左右，完成烧结处理，并随炉冷却。通过观察成品质量可以发现，烧结温度将直接影响到不锈钢材料的耐腐蚀性能，在高温烧结阶段当温度由1120°C 增至1250°C时，原材料中的颗粒呈现出致密化特征，致使材料的孔隙率降低、致密度提升，由此改善不锈钢的耐腐蚀性能。运用粉末冶金成型工艺制备出的不锈钢产品具备更好的力学性能与耐腐蚀性能，可为工程结构件、医用生物材料生产制造提供重要技术支持。

2.3 冲压、挤压和塑性成型

冲压、挤压和塑性成型是提高技术材料强度的工艺方法，通常需借助表面涂层、添加润滑剂的方式调节加工过程中产品表面间的应力状态，克服摩擦阻力、加快散热速度，保证材料成型质量。在实际加工环节，可结合材料特性适当提高挤压温度或调节增强颗粒添加量，用于改善金属基材料的可塑性，增强产品抗性变能力；同时还需控制好挤压速率，避免因挤压速率较快导致材料在成型后表面产生横向裂纹，提升成品质量。以挤压技术为例，挤压成型工艺是指将毛坯置于挤压凹模内，以较大压力缓慢进行毛坯的大变形量加工，依靠材料塑性特征使坯料发生变形，生产出不同形状的零件。通常挤压技术依据温度差异划分为冷挤压、温挤压、热挤压三类工艺方法，其中冷挤压主要在室温条件下进行低碳钢等金属材料的加工，可制备出结构简单、表面质量好、硬度大的构件；温挤压是将温度控制在回复温度与再结晶温度之间，适用于结构复杂的合金材料的挤压成型，但其成型质量较差；热挤压是指挤压温度高于再结晶温度，在金属材料发生热变形至应变到达极限值时，将使材料出现动态回复和再结晶，以此实现金属材料的软化与变形，适用于结构复杂、大体积零件的加工[2]。

以锡青铜热挤压成型工艺为例，将原始坯料放入感应炉中进行加热处理，取出坯料后置于预热200°C 的挤压凹模中进行挤压处理，在此过程中坯料与模具的接触面将产生摩擦变形，与此同时出现形变强化、动态再结晶等现象，并且部分坯料在挤出凹模后将加速冷却，由此影响到工件最终成型效果。为保证成型件加工质量符合要求，需针对热挤压成型工艺参数进行精细化设计：其一是热挤压温度，伴随挤压温度的升高，材料硬化速率呈递减趋势，持续增加的挤压力在到达一定程度后将因动态再结晶出现下降趋势，影响到挤压件的等效塑性应变与等效应力，因此需将热挤压温度控制在720°C 左右；其二是热挤压速度，伴随热挤压速度的增大，应变速率将呈递增趋势，对于成型件的塑性、应变两项性能指标构成影响，因此宜将热挤压速度控制在7mm/s 左右；其三是摩擦系数，伴随摩擦系数的增大，挤压力与塑性变形均呈递趋势，而等效应力则受摩擦生热影响呈递减趋势，因此需将摩擦系数设为0.25。针对热挤压成型后的挤压件分别进行微观组织分析与力学性能测试，可观察到在挤压温度为720°C、挤压速度为7mm/s 的条件下，采用水基石墨润滑处理后，挤压件的塑性与力学性能均得到明显改善，适用于锅炉、海船等零部件的加工制造。

2.4 铸造成型工艺

铸造成型工艺被广泛应用于有机复合材料加工环节，在加工过程中向原料内加入适量增强颗粒，能够提高熔体流动性、加快颗粒间反应速率，以此改善材料的物理性能。在实际加工环节，操作人员需注意调节熔化速率、反应温度、保温时间等工艺参数，在高温条件下向复合材料中添加适量碳化硅颗粒，用于提高界面反应速率，配合精炼工艺、加入适量变质剂等措施，优化产品成型质量。

以振动铸造成型技术为例，其应用原理在于金属熔体属于粘性流体，借助层流或紊流两种形式流动，其中在充型与充型结束阶段分别呈现为紊流、层流两种状态，将振动技术应用于金属材料铸造成型中，通过不断提高振动频率将加快金属熔体紊流速度，降低铸件残余应力，以此优化成品性能。例如将该工艺应用于铸铜过程中，可使铜铸件内部出现等轴晶，通过调节温度、电压等参数能够改善晶粒分布的均匀程度，优化铸件性能；再如将该工艺应用于铸铁成型环节，选取BF-LD-TF 型双向振动台分别进行白口铸铁、球墨铸铁，在熔体凝固过程中将产生一定的压力与拉力，对此还需在熔体凝固前试样厚度较小时进行振动处理，增加初生奥氏体含量，有效提升铸件性能[3]。