探析工程材料和熱加工工藝的選擇

在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件的設(shè)計與制造過程中，合理地選擇和使用材料是一項十分重要的工作。因為設(shè)計時不僅要考慮材料的性能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且還要求材料具有較好的加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗等。因此，可以說材料選用的好壞是產(chǎn)品設(shè)計與制造工作能否成功的重要基礎(chǔ)。

材料選擇的使用性

使用性是保證零部件完成指定功能的必要條件，它是選材的最主要依據(jù)。使用性主要是指零件在使用狀態(tài)下應(yīng)具有的力學(xué)性、物理性和化學(xué)性。對于機(jī)械零件，最重要的使用性是力學(xué)性。對零部件力學(xué)性的要求，一般是在分析零部件的工作條件和失效形式的基礎(chǔ)上提出來的。根據(jù)使用性選材的步驟如下。

1.分析零部件的工作條件，確定使用性

零部件的丁作條件是復(fù)雜的。工作條件分析包括受力狀態(tài)（如拉、壓、彎、扭、剪切等）、載荷性質(zhì)、載荷大小及分布、工作溫度（低溫、室溫、高溫、變溫）、環(huán)境介質(zhì)（潤滑劑、酸、堿）、對零部件的特殊性要求（電、磁）等。在對工作條件進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上確定零部件的使用性。

2.分析零部件的失效原因，確定主要使用性

對零部件使用性的要求往往是多項的。例如傳動軸，要求其具有高的疲勞強(qiáng)度、韌性和軸頸的耐磨性，因此，需要通過對零部件失效原因的分析，找出導(dǎo)致失效的主導(dǎo)因素，準(zhǔn)確確定出零部件所必需的主要使用性能。

材料的熱加工工藝性能

工藝性能對大批量生產(chǎn)的零部件尤為重要，因為在大批量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能介紹概括如下。

1.金屬材料的工藝性能

金屬材料的工藝性能是指金屬適應(yīng)某種加工工藝的能力。金屬材料的加工工藝復(fù)雜，要求的工藝性能較多，主要有機(jī)械加工性能、材料成形性能。

機(jī)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、排除切屑的難易程度以及對刃具的磨損程度來衡量。硬度太高，刃具磨損嚴(yán)重，切削加工性下降；硬度太低，則不易斷屑，切削加工性也差。鋁及鋁合金的機(jī)械加工性能較好，鋼中以易切削鋼的杌械加工性能最好，而奧氏體不銹鋼及高碳高合金的高速鋼的機(jī)械加工性能較差。

2.高分子材料的工藝性能

高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法較多。高分子材料的切削加工性能尚好，但由于高分子材料的導(dǎo)熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟：使熱固性塑料燒焦。

3.陶瓷材料的工藝性能

陶瓷材料主要工藝也是成形加工。按零部件的形狀、尺寸精度和性能要求的不同.可采用不同的成形加工方法（粉漿、熱壓、擠壓、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工外，幾乎不能進(jìn)行任何其他切削加工。

材料的熱加工工藝

1.合金的流動性

液態(tài)金屬本身流動的能力稱為流動性。合金的流動性好，充型能力強(qiáng)，易于獲得尺寸準(zhǔn)確、外形完整和輪廓清晰的鑄件；不易產(chǎn)生澆不到、冷隔等缺陷；金屬液中的非金屬夾渣和氣泡易于上浮排出，不易產(chǎn)生夾渣和氣孔；流動性好的合金能很好地補(bǔ)充鑄件凝固產(chǎn)生的收縮，不易產(chǎn)生縮孔和縮松。

2.鑄造方法

首先根據(jù)零件圖樣制成適當(dāng)?shù)哪樱⒂媚雍团渲坪玫男蜕爸瞥缮靶?，然后將熔化的金屬注入型腔，待金屬液凝固冷卻后，從砂型中取出鑄件，最后清除鑄件的附著物，經(jīng)過檢驗獲得所需鑄件，造型方法有手工造型和機(jī)器造型兩類。

（1）手工造型，手工造型是全部用手工或手動工具完成的造型工序。手工造型操作靈活，適應(yīng)范圍廣，大小鑄件均可生產(chǎn)，可制作復(fù)雜的鑄型，工藝裝備簡單，設(shè)備投資少，單件、小批量生產(chǎn)時成本低。但勞動強(qiáng)度大，對工人技術(shù)水平要求高，生產(chǎn)效率低，鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定。主要用于單件、小批生產(chǎn)和大型鑄件的生產(chǎn)。

（2）機(jī)器造型，機(jī)器造型主要是利用機(jī)器代替人工完成填砂、緊實和起模等工作。砂箱放在緊砂機(jī)工作臺上，工作臺在壓縮空氣作用下上下振動，初步緊實型砂。然后工作臺上升，與壓頭接觸，將型砂壓實。機(jī)械裝置將砂箱頂起，使砂型與模樣分離。漏模機(jī)構(gòu)將砂箱及砂型托住，而使模樣漏下與砂型分離。砂箱和模樣一同翻轉(zhuǎn)180°，然后使砂箱下降，砂型與模樣分離。

結(jié)束語

任何工程材料的使用都要經(jīng)過一定的成形過程，不同材料與結(jié)構(gòu)的零件需采用不同的成形加工方法。不同成形加工方法對不同零件的材料與結(jié)構(gòu)有著不同的適應(yīng)性，對材料的性和零件的質(zhì)量也會產(chǎn)生不同的影響。因此.成形方法的選擇直接影響著零件的質(zhì)量、成本和生產(chǎn)率?？茖W(xué)規(guī)范的加工工藝，能夠有效提高加工效率，更加節(jié)儉加工材料。所以，在今后模具設(shè)計與生產(chǎn)中應(yīng)該對加工工藝進(jìn)行深層次思考。

（作者單位：寧波工程學(xué)院）

作者簡介：方杰（1992-），男，本科，寧波工程學(xué)院在讀，研究方向：材料成型及控制工程。