金属材料成形及其加工工艺浅析

张天伟

（浙江金澳兰机床有限公司，浙江 金华 321200）

1 材料成形工艺概述

金属材料成形工艺研究是运用力学、热力学、材料科学等交叉学科的理论和方法，对金属材料的加工过程进行深入研究和分析，从而实现对材料的有序改造。在材料成形过程中，注重对加工过程的有效控制，依托先进的控制技术和设备，通过对加工过程中的各个环节进行监测和调控，实现对加工质量、加工精度、加工效率等关键指标的控制，从而确保最终产品的合格和可靠性。此外，材料成形工艺过程还涉及材料加工过程中的能量转化和传递问题，通过研究能量转化和传递的规律，优化能量利用效率，降低能量损耗，提高材料加工过程的能源利用效益。

在制造业发展中，材料成形工艺的应用广泛而深远，为各行业提供高效、精确和可靠的金属材料加工解决方案。

2 金属材料特征与选材原则

（1）特征概述。金属材料作为重要的工程材料，具有独特的特征和性能，这些特征对于材料成形工艺起着重要作用。①金属材料具有良好的导电性和导热性。由于金属材料中的自由电子密度较高，使得金属具有优异的电导率和热导率，能够迅速传导电流和热量，适用于各种电子器件和散热结构的应用；②具有较高的机械性能。金属材料具有较高的强度、韧性和塑性，能够承受较大的力和变形而不断裂或破碎，适用于各种结构件和零部件的制造；③具有良好的可加工性。金属材料可以通过各种加工方法进行塑性变形，如锻造、拉伸、挤压等，从而实现复杂形状的制造，满足不同工程需求。

（2）选材原则。在材料成形工艺过程中，合理选择金属材料是确保产品质量和工艺效率的重要因素。以下是一些常用的选材原则：①根据工程需求选择合适的金属材料。不同工程领域对材料的性能和特点有不同的要求，因此需要根据具体的工程需求选择具备相应特性的金属材料。例如，在高温环境下工作的零件可以选择耐热合金材料，而对于耐腐蚀要求较高的场合可以选择耐腐蚀性能良好的不锈钢材料；②考虑材料的可加工性。在进行金属材料加工时，材料的可加工性是一个重要的考虑因素。不同的加工方法对材料的可塑性、韧性和硬度等性能有不同的要求，因此需要选择适合加工方法的金属材料，以确保加工过程的顺利进行；③经济性选材。在进行材料选择时，需要综合考虑材料的价格、加工成本和性能要求等因素，以达到经济高效的目标；④注重环境友好性。随着环境保护意识的提高，对于材料的环境友好性要求也越来越高。选择具有较低环境污染和可回收利用性能的金属材料，有助于减少对环境的负面影响。

3 材料加工工艺浅析

（1）铸造工艺。铸造工艺是通过将熔化的金属注入模具中，使其在冷却凝固后得到所需形状的工件的工艺过程。在铸造过程中，可根据需要选用不同的铸造方法，如砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等。这些方法在不同应用领域具有各自的特点和优势。例如，砂型铸造适用于大型工件的生产，而金属型铸造则适用于高精度要求的工件制造。

（2）焊接工艺。焊接工艺是将金属材料通过加热或加压使其熔化，并使相邻的金属材料结合在一起的过程。常见的焊接方法包括电弧焊、气体保护焊、激光焊等。焊接工艺广泛应用于制造业中，可以用于连接不同材料的工件，修复损坏的零部件以及制造复杂结构的组装件。焊接工艺的选择取决于工件的材料、形状和应用要求。

（3）切削工艺。切削工艺是通过将金属材料从工件上切削下来，以得到所需形状和尺寸的工件。常见的切削工艺包括车削、铣削、钻削等。切削工艺通常需要使用刀具与工件之间的相对运动来实现金属材料的去除。切削工艺在制造业中广泛应用，可用于加工各种形状和材料的工件，如轴、齿轮、孔等。

（4）锻压工艺。锻压工艺是通过对金属材料施加压力，使其在高温或室温下发生塑性变形，从而得到所需形状的工件。常见的锻压工艺包括冷锻、热锻、挤压等。锻压工艺可以提高金属材料的密度和力学性能，并改善其组织结构。锻压工艺广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域，用于制造高强度和高精度要求的零部件。

4 几种成形工艺方法

（1）模锻与挤压。锻模塑性与挤压成形，通过施加压力和温度对金属材料进行塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的工件。在模锻成形过程中，金属材料被置于一个特制的模具中，在受到强大的压力作用下，发生可逆的塑性变形。这种变形可以改变金属材料的晶粒结构和机械性能。常见的模锻成形工艺包括冷锻和热锻。冷锻适用于低温下对金属材料进行塑性变形，通常用于制造高强度和高精度的零部件。热锻则在高温条件下进行，可以改善金属的塑性和变形能力，适用于制造大型和复杂形状的工件。挤压成形则是一种通过将金属材料挤压通过特制的模具来实现塑性变形的工艺。在挤压过程中，金属材料被迫通过模具的孔道，使其截面积减小，从而得到所需的形状和尺寸。挤压成形可以用于生产长条状或异型截面的工件，如管材、型材等。

模锻与挤压成形工艺具有广泛的应用场合。它们不仅可以满足不同形状和尺寸的工件需求，还能够提高金属材料的强度、硬度和耐磨性。此外，通过控制工艺参数，如温度、压力和变形速率等，还可以调控材料的微观结构和性能，进一步优化产品的品质和性能，从而为各行各业提供高效、精确和可靠的金属材料加工解决方案。

（2）焊接成形工艺。常见的焊接工艺包括电弧焊、气体保护焊、激光焊等。在电弧焊中，通过电弧的高温作用，使金属材料局部熔化并形成焊缝。气体保护焊使用惰性气体（如氩气）来保护焊接区域，防止氧化和污染，从而获得高质量的焊缝。激光焊利用激光束的高能量密度，快速将金属材料熔化并连接在一起。焊接成形的选择取决于工件的材料、形状和应用要求。不同的焊接方法具有各自的特点和适用范围。例如，电弧焊适用于焊接较厚的金属板材，而激光焊则适用于对细小和复杂结构进行精确焊接。焊接成形的成功与否不仅取决于焊接工艺的选择，还取决于焊接参数的控制和操作人员的技能。焊接成形应用广泛，例如在汽车制造中，可以通过焊接成形来制造车身零部件的复杂结构和外观。

（3）粉末冶金。粉末冶金是一种特殊的金属材料加工工艺，通过将金属粉末在高温和高压条件下进行成形和烧结，制备出具有特定形状和性能的工件。粉末冶金工艺广泛应用于制造复杂形状、高精度和高性能的零部件。粉末冶金的过程包括粉末制备、成形和烧结三个主要步骤。首先通过物理或化学方法将金属材料加工成细小的粉末；然后，将粉末放入模具中，通过压制、注射成形等方式使其获得所需的形状；最后，将成形后的工件在高温下进行烧结，使金属粉末颗粒之间发生结合，形成致密的材料。

粉末冶金具有许多优点：可以利用废料、回收材料和合金粉末等资源，实现材料的充分利用和资源的节约；由于粉末冶金是在固态下进行的，不需要液态熔融过程，因此避免了材料的氧化和污染；粉末冶金还可以制备出具有均匀组织、高密度和高强度的材料。

粉末冶金广泛应用于各个领域。在汽车工业中，粉末冶金可用于制造发动机零部件、传动系统和底盘组件等。在电子行业中，粉末冶金可用于制造电子器件、导电材料和磁性材料等。在航空航天领域，粉末冶金可用于制造轻质高强度的结构材料和复合材料。

（4）热处理法。热处理是一种通过控制金属材料的加热和冷却过程，改变其组织结构和性能的工艺。通过适当的加热和冷却过程，可以调控金属材料的晶粒尺寸、相比例和相形态，从而改善其力学性能、耐腐蚀性能和热稳定性。

热处理通常包括加热、保温和冷却三个步骤。加热过程中，金属材料被加热到特定温度区间，使其达到所需的相变温度。保温过程中，金属材料在特定温度下保持一段时间，以确保相变充分进行。冷却过程中，金属材料被迅速冷却到室温或其他指定温度，以固定其新的组织结构。常见的热处理方法包括退火、淬火、回火等。退火是将金属材料加热到临界温度以上，然后缓慢冷却至室温。这种处理方法能够消除材料内部的残余应力和组织缺陷，提高其塑性和韧性。淬火是将金属材料迅速冷却至室温以下，以形成硬质的组织结构，提高其硬度和强度。回火是在淬火后将金属材料重新加热到适当温度，然后进行缓慢冷却，以调整其硬度和韧性之间的平衡。

热处理工艺的选择取决于金属材料的成分、形状和应用要求。通过合理地设计和控制热处理工艺参数，如加热温度、保温时间和冷却速率等，可以实现对金属材料性能的精确调控，满足高强度、高耐久性和高可靠性的工件需求。

5 结语

随着经济与科技的发展，金属材料成形工艺在我国得到迅速发展，具有广阔的发展前景。通过不断努力和创新，金属材料工艺方法将为我国制造业的发展提供更好的支持，促进我国工业结构的优化升级，提高产品质量和竞争力，推动科技进步和经济发展。