金屬材料加工與控制成型技術探討

石成星

（酒鋼集團榆中鋼鐵有限責任公司，甘肅 蘭州 730104）

金屬材料因其導熱性和導電性的特點，再加上高硬度和耐高溫的特性，一直是各大高科技、自動化機械外殼和零件的主要制作材料，我們生活中很多日常用品的制作也都離不開金屬材料[1]。日常使用的金屬材料的性能要求普通的合金就能滿足，但是很多精密儀器要求零件擁有超高的硬度和耐腐蝕性，這就需要鈦合金和高錳鋼等制作工藝復雜的合金來進行制作。由于金屬的分子活潑性基本都很高，所以加工和控制成型都有一定難度，在傳統的加工過程中，一般都利用數控方法進行金屬材料的加工和定型。但是這種技術對金屬在加工過程中產生的變形沒有什么有效的應對辦法，所以加工過后的金屬配件和圖紙要求誤差較大，既浪費原材料又浪費員工的勞動力[2]。

本文打算重新設計一種加工和控制成型的技術，克服傳統方法制作金屬零件誤差率大的缺陷。

1 金屬材料加工與控制成型技術

不銹鋼和鈦合金類比較堅硬的金屬加工可塑性很差，加工過程對機器的磨損也很嚴重，合金材料是兩種以上的金屬材料重新融合而成的新型材料，金屬熔點高，難以熔化為金屬溶液。合金中的原子結構非常穩定[3]，這是合金材料堅固的原因，隨意切割合金材料所需要的切割力是普通金屬的5倍。金屬原子在金屬中分布不均，所以合金導熱系數較低，進行切割時浪費大量熱能源。正是由于金屬以上性質的影響，金屬的加工制造充滿了大量不確定因素。

1.1 改變原有的金屬材料切割工具

普通金屬的切割刀具只適合切割分子粒子較小的金屬材料，復合金屬中的分子顆粒大，使用普通的刀具進行切割加工切割效果一般，對刀具的磨損也非常嚴重。換成高硬度的切割刀具成本高，新刀具對于常用的普通金屬來說使用率又很低。所以不如直接使用重新改良的切割工具，適用于所有金屬的切割，基于金屬的導熱性設計電火花切割工具，調節電火花的電量參數改變切割加工的速度，切割速度影響著橫切面的平滑程度，切割速度由電流的脈沖時間間隔決定。切割普通金屬時，可將電流調至普通水準，切割堅硬的合金材料時[4]，調大電流峰值。不同的電流參數適合不同的金屬材料。

質地較軟的金屬復合材料雖然比較好切割，但是所產生的切割碎屑卻也是堵塞機器的罪魁禍首。在打磨質地較軟的合金材料時，應該降低機器的溫度，利用冷卻產生的溫差減少碎屑的產生[5]，低溫環境還可以減少打磨過程對金屬零件表面的磨損，因此，改變原有的金屬材料切割工具是金屬材料加工與控制成型技術的第一步。

1.2 減少金屬材料加工的精度誤差

在實際的金屬制造過程中，生產出來的零件和圖紙的設定值是允許有一些誤差的。但是誤差值不能超過國家的標準范圍，在金屬材料相同的情況下，自然是哪種生產方式誤差值越小，哪種方式生產出的金屬材料質量越高。傳統控制誤差的方法都是單純的物理方法，但其實減少誤差可以加入化學試劑。在進行切割打磨的時候加入1.5%-2%的粘合劑可以減小金屬材料的誤差。擠壓和鍛造是金屬材料定性常用的方式，在這個過程中會對金屬材料造成磨損。嚴重的還會導致已經成型的金屬材料嚴重變形，因此機器在對材料進行打磨的時候一定要控制好力度。在打磨金屬時，適當的提高溫度可以縮短打磨的時間，加快擠壓的速度，減小零件的實際制造誤差。

1.3 金屬材料控制成型預設定

金屬成型的參數現代都是可以直接錄入計算機的，但是在參數轉換成成品圖像的過程中，難免會出現圖像不清晰等現象，這就會導致制作出來的金屬材料和實際需求不符[6]。復合金屬材料可以采取鑄造成型的方式，在復合金屬溶液中添加增強顆粒，增強顆粒可以加強金屬溶液的流動性，讓其與成型所需的化學反應溶液融合得更加迅速。像高精密儀器中幾毫米的小金屬零件，對材料的制作工藝要求十分苛刻。傳統方法制作起來失敗率非常高，會造成大量的原材料浪費。對于這種小型金屬材料的控制成型可以不用溶液冷卻成型，而是采用金屬粉末冶煉，相比于溶液粉末中的金屬活動分子不那么強烈，金屬活潑性較弱。金屬活動分子在粉末中分布均勻，可調節性比金屬溶液更高。航天器材和高鐵配件這種對技術性要求很高的金屬材料也可以用這種方式制作。

1.4 金屬材料控制成型智能化設計

金屬材料的如果不是一塊完整的金屬加工成的就需要焊接技術。焊接技術是通過對金屬零件部分加熱后連接在需要焊接的零件上，冷卻之后兩部分就會連接在一起。焊接技術在實際加工中對技術的要求隨著金屬材料的精密程度而提升。人為操作雖然是常用的方式，但是效率較低。如果改成機器操作就會方便很多，在計算機里設置好焊接參數，直接在機器里放入兩個需要焊接的配件就可以自動完成焊接。合金材料在增大顆粒時候，金屬溶液的流動性也會改變，需要人工控制溫度離開保證合金的功能不受影響，人工控制溫度可以利用計算機進行計算，而不需要人工計算核驗。金屬成型的最后一步就是將金屬溶液或則粉末放入定型模具[7]，如果金屬模具設計的不好，生產出來的金屬材料也肯定不怎么樣。金屬溶液的粘性影響澆筑的困難程度，改變金屬溶液粘性后再注入金屬成型模具中，金屬材料最后的控制成型就完成了。

2 實例分析

設計對比實驗，使用傳統金屬加工和控制成型方法和本文設計的方法進行對比，主要目的是為了對比金屬的切割速度，切割橫截面的光滑程度以及金屬成型后的質量。

2.1 實驗準備

實驗驗證的是單一因素改變下其他因素保持不變，對金屬材料制作的影響。實驗對象選擇是在生活中間常見的合金和普通的單一元素金屬40號鋼，加工設備為電火花切割機床，電極和工作液的選擇都是依照普通金屬的常規標準。實驗材料的參數如表1所示，

表1 實驗金屬的屬性

影響工藝的指標因素較多包括機床的精度和電壓的大小，通過一次改變機床電壓、機床電流快慢來控制加工時間，運用同樣的方法測量實驗材料切割橫切面的粗糙程度和控制成型質量，最后對比傳統方法和本文設計方法的優勢和劣勢。

切割機電壓數對講述切割表面的影響對剛和合金是不一樣的，鋼材因為其中含有較多的碳元素和硅元素。所以橫切面的粗糙程度會隨著切割機電壓的增大而變粗糙。合金因為本身金屬活潑性不強，所以電壓變化對合金切割橫截面的影響并不大。合金內部含有不導電的粗糙粒子，不導電的粗糙粒子會很難被常規手法去除。為了保證實驗的公平性，在切割合金的時候，機器的電壓調節閾值要比切割鋼材的時候設置得更大一些。

2.2 實驗結果與分析

影響金屬材料切割效率的因素很多，脈沖的寬度和切割時間的間隔都是我們需要注意的因素。傳統切割方式和本文設計的切割方式對鋼材和合金進行對比如圖所示：

圖1 切割速度對比

由上圖可以看出，本文設計的方法切割電流大于傳統方法的電流。傳統方法的電流脈沖較小，在切割鋼材的時候可以進行正常切割，但是在切割合金的時候就出現了因脈沖過低，中斷加工的現象。中斷加工勢必會影響金屬材料的切割熟速度，本文設計的方法由于電流脈沖足夠，可以滿足切割合金的要求，因此切割速度比傳統方法快得多。

圖2 橫截面粗糙度對比

由圖2可知，傳統方法和本文的切割材料橫截面的粗糙程度不同，當切割機床電壓大于安全電壓的時候。很容易引起保險絲燒斷，所以傳統方式只能將電壓控制在一定范圍內，鋼材的切割橫截面就會比較粗糙，還要加一道磨合的工序才能夠保證鋼材的質量，而合金雖然切割橫截面的粗糙程度和電壓關系不大。但是由于合金表面的電解質不易被電流帶走，需要使用乳化液將電解質帶走，才能保證合金切割橫截面的光滑。本文設計的方切割方式在切割之前就在機床刀片上加入了可以溶解電解質的化學物質。因此方法可以節省保持金屬橫截面光滑的工序。

綜上所述，傳統方式的切割速度和切割質量都不如本文設計的方法。本文設計的方案，為金屬加工及控制成型工藝的研究提供了參考依據。

3 結語

本文依托金屬本身的物理特性重新設計的金屬材料加工與控制成型方法，本文設計的方法在切割速度上比傳統方法速度更快，但是金屬加工和控制成型的工序因加入了讓化學物質，化學反應速度具有不確定性。希望在日后的研究中可以將工序進行簡化。