石成星

（酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730104）

金屬材料因其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的特點(diǎn)，再加上高硬度和耐高溫的特性，一直是各大高科技、自動(dòng)化機(jī)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(fù)雜的合金來進(jìn)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(tǒng)的加工過程中，一般都利用數(shù)控方法進(jìn)行金屬材料的加工和定型。但是這種技術(shù)對金屬在加工過程中產(chǎn)生的變形沒有什么有效的應(yīng)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(fèi)原材料又浪費(fèi)員工的勞動(dòng)力[2]。

本文打算重新設(shè)計(jì)一種加工和控制成型的技術(shù)，克服傳統(tǒng)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(shù)

不銹鋼和鈦合金類比較堅(jiān)硬的金屬加工可塑性很差，加工過程對機(jī)器的磨損也很嚴(yán)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(diǎn)高，難以熔化為金屬溶液。合金中的原子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定[3]，這是合金材料堅(jiān)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(dǎo)熱系數(shù)較低，進(jìn)行切割時(shí)浪費(fèi)大量熱能源。正是由于金屬以上性質(zhì)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(fù)合金屬中的分子顆粒大，使用普通的刀具進(jìn)行切割加工切割效果一般，對刀具的磨損也非常嚴(yán)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(dǎo)熱性設(shè)計(jì)電火花切割工具，調(diào)節(jié)電火花的電量參數(shù)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(shí)間間隔決定。切割普通金屬時(shí)，可將電流調(diào)至普通水準(zhǔn)，切割堅(jiān)硬的合金材料時(shí)[4]，調(diào)大電流峰值。不同的電流參數(shù)適合不同的金屬材料。

質(zhì)地較軟的金屬復(fù)合材料雖然比較好切割，但是所產(chǎn)生的切割碎屑卻也是堵塞機(jī)器的罪魁禍?zhǔn)住Ｔ诖蚰ベ|(zhì)地較軟的合金材料時(shí)，應(yīng)該降低機(jī)器的溫度，利用冷卻產(chǎn)生的溫差減少碎屑的產(chǎn)生[5]，低溫環(huán)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(shù)的第一步。

1.2 減少金屬材料加工的精度誤差

在實(shí)際的金屬制造過程中，生產(chǎn)出來的零件和圖紙的設(shè)定值是允許有一些誤差的。但是誤差值不能超過國家的標(biāo)準(zhǔn)范圍，在金屬材料相同的情況下，自然是哪種生產(chǎn)方式誤差值越小，哪種方式生產(chǎn)出的金屬材料質(zhì)量越高。傳統(tǒng)控制誤差的方法都是單純的物理方法，但其實(shí)減少誤差可以加入化學(xué)試劑。在進(jìn)行切割打磨的時(shí)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(gè)過程中會(huì)對金屬材料造成磨損。嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)成型的金屬材料嚴(yán)重變形，因此機(jī)器在對材料進(jìn)行打磨的時(shí)候一定要控制好力度。在打磨金屬時(shí)，適當(dāng)?shù)奶岣邷囟瓤梢钥s短打磨的時(shí)間，加快擠壓的速度，減小零件的實(shí)際制造誤差。

1.3 金屬材料控制成型預(yù)設(shè)定

金屬成型的參數(shù)現(xiàn)代都是可以直接錄入計(jì)算機(jī)的，但是在參數(shù)轉(zhuǎn)換成成品圖像的過程中，難免會(huì)出現(xiàn)圖像不清晰等現(xiàn)象，這就會(huì)導(dǎo)致制作出來的金屬材料和實(shí)際需求不符[6]。復(fù)合金屬材料可以采取鑄造成型的方式，在復(fù)合金屬溶液中添加增強(qiáng)顆粒，增強(qiáng)顆粒可以加強(qiáng)金屬溶液的流動(dòng)性，讓其與成型所需的化學(xué)反應(yīng)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(tǒng)方法制作起來失敗率非常高，會(huì)造成大量的原材料浪費(fèi)。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(dòng)分子不那么強(qiáng)烈，金屬活潑性較弱。金屬活動(dòng)分子在粉末中分布均勻，可調(diào)節(jié)性比金屬溶液更高。航天器材和高鐵配件這種對技術(shù)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(shè)計(jì)

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(shù)。焊接技術(shù)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(huì)連接在一起。焊接技術(shù)在實(shí)際加工中對技術(shù)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(jī)器操作就會(huì)方便很多，在計(jì)算機(jī)里設(shè)置好焊接參數(shù)，直接在機(jī)器里放入兩個(gè)需要焊接的配件就可以自動(dòng)完成焊接。合金材料在增大顆粒時(shí)候，金屬溶液的流動(dòng)性也會(huì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，而不需要人工計(jì)算核驗(yàn)。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(shè)計(jì)的不好，生產(chǎn)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(shí)例分析

設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，使用傳統(tǒng)金屬加工和控制成型方法和本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)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(zhì)量。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(hào)鋼，加工設(shè)備為電火花切割機(jī)床，電極和工作液的選擇都是依照普通金屬的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)材料的參數(shù)如表1所示，

表1 實(shí)驗(yàn)金屬的屬性

影響工藝的指標(biāo)因素較多包括機(jī)床的精度和電壓的大小，通過一次改變機(jī)床電壓、機(jī)床電流快慢來控制加工時(shí)間，運(yùn)用同樣的方法測量實(shí)驗(yàn)材料切割橫切面的粗糙程度和控制成型質(zhì)量，最后對比傳統(tǒng)方法和本文設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢和劣勢。

切割機(jī)電壓數(shù)對講述切割表面的影響對剛和合金是不一樣的，鋼材因?yàn)槠渲泻休^多的碳元素和硅元素。所以橫切面的粗糙程度會(huì)隨著切割機(jī)電壓的增大而變粗糙。合金因?yàn)楸旧斫饘倩顫娦圆粡?qiáng)，所以電壓變化對合金切割橫截面的影響并不大。合金內(nèi)部含有不導(dǎo)電的粗糙粒子，不導(dǎo)電的粗糙粒子會(huì)很難被常規(guī)手法去除。為了保證實(shí)驗(yàn)的公平性，在切割合金的時(shí)候，機(jī)器的電壓調(diào)節(jié)閾值要比切割鋼材的時(shí)候設(shè)置得更大一些。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間的間隔都是我們需要注意的因素。傳統(tǒng)切割方式和本文設(shè)計(jì)的切割方式對鋼材和合金進(jìn)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(shè)計(jì)的方法切割電流大于傳統(tǒng)方法的電流。傳統(tǒng)方法的電流脈沖較小，在切割鋼材的時(shí)候可以進(jìn)行正常切割，但是在切割合金的時(shí)候就出現(xiàn)了因脈沖過低，中斷加工的現(xiàn)象。中斷加工勢必會(huì)影響金屬材料的切割熟速度，本文設(shè)計(jì)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(tǒng)方法快得多。

圖2 橫截面粗糙度對比

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

綜上所述，傳統(tǒng)方式的切割速度和切割質(zhì)量都不如本文設(shè)計(jì)的方法。本文設(shè)計(jì)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(jù)。

3 結(jié)語

本文依托金屬本身的物理特性重新設(shè)計(jì)的金屬材料加工與控制成型方法，本文設(shè)計(jì)的方法在切割速度上比傳統(tǒng)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(xué)物質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)速度具有不確定性。希望在日后的研究中可以將工序進(jìn)行簡化。