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标  题: [身边的力学]脸盆、茶缸的生产制造与金属材料的塑性加工——朱�
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:01:53 2005), 站内

脸盆、茶缸的生产制造与金属材料的塑性加工

朱峰  徐秉业  薛克宗

    当你看到一个新的脸盆或茶缸时，你可能只是注意它们的外形尺寸，欣赏其漂亮的图案设计，却很难去想象这些物品是怎样被制造生产出来的。如果你仔细观察一下电冰箱、洗衣机、电风扇等家用电器，以及汽车、火车、飞机等交通工具的金属外壳，便会发现，它们厚度均匀、表面光洁、具有不同的外形和尺寸。那么这些形状各异的金属制品究竟是采用什么样的生产方式制造出来的？要回答这个问题，就必须从金属材料的加工工艺谈起。

    什么是金属材料的加工工艺？凡是采用一定的设备或工具使金属材料由一种形态成为另外一种形态的加工方式都称之为金属材料的加工工艺。金属材料的加工工艺包括有：由液态金属变为固态金属的铸造工艺，由粉末状金属变为固态金属的粉末成形工艺，将多余金属去掉形成新的产品的切削加工工艺，多个金属拼接在一起的焊接工艺，使金属变形成为产品的塑性成形工艺等。其中，切削加工和塑性成形是极其重要的金属材料加工工艺。

    切削加工是指按照图纸要求，采用特殊的加工工具，就像用刀子削水果一样，对金属材料进行车、铣、刨、磨、钻等机械切削的方式，强行去除不需要的金属材料，以使剩余部分组成具有所要求外形和尺寸的工件。这种加工方式具有很大的加工范围，但是由于加工过程中切屑的存在，使得材料利用率很低。塑性加工则是利用外力使金属材料发生塑性变形从而获得所需产品的加工方式，如铁匠用锤子不停地击打烧红的铁块使其变为农具就是一种简单的塑性加工形式。这种加工方式不产生废料，材料利用率高，具有非常高的加工精度和光洁度，产品的互换性强，且在加工时能使产品内部性能得到很大的改善，因而在国民经济生产中占有非常重要的地位。早在二三千年前，塑性加工方法就被我国劳动人民用于生产制造各种生产工具和兵器，且具有相当的技术水平。在陕西秦始皇陵兵马俑坑的出土文物中，就有三把用合金钢锻制的宝剑，其中一把至今仍光艳夺目，锋利如昔，令目睹者叹为观止。

    实际上，塑性变形并不是金属材料唯一的变形方式，在外力作用下，金属通常先发生弹性变形。比如你用力拉压弹簧，会使其伸长或缩短，但当你松手时，弹簧则恢复原位，变形消失；又如锯片锯木时，当受到不正常侧向力作用时，会发生弯曲，力消失，弯曲也会随之消失，锯片又恢复原位，锯片的这种弹性性能一方面保护锯片不致断裂破坏，另一方面也使锯片能在非直线的锯道里正常工作。但是，金属材料这种可恢复的弹性变形性能却难以用来形成制品。可以想象，如果利用金属材料的弹性性能将其做成脸盆或茶缸的形状，那么当外力去除以后，这些所谓的脸盆或茶缸也就不复存在了。当然这种变形程度一般较小，实际上是不可能在弹性变形范围内得到如此大变形的物品的。

    当金属材料所受外力继续增加时，材料的变形特征发生变化，有塑性变形产生。此时如果去除外力，它就不可能完全恢复原来的形状和尺寸，呈现出来的却是另外一种外形特征，这种残余下来的塑性变形也称之为永久变形，正是这种变形特征构成了极其重要的金属材料加工方式之一——塑性加工。

    塑性加工工艺一般分体积变形和板料变形两大类，前者以锻造、轧制、挤压等工艺为主，主要通过金属材料体积的大量转移获得机器零件或毛坯。为了采用较小的作用力获得较大的塑性变形，一般要在1000℃以上的高温下操作，加工设备一般为锻锤、水压机、轧机等。60年代，我国自行设计制造的一万二千吨水压机标志着我国的锻造工业已经达到了相当高的水平。板料成形则是利用专门的模具在压力机上对金属板料进行塑性加工，亦称为板料冲压，因它一般需在室温下进行，故也称为冷冲压。板料成形对生产容器类产品具有突出的优势。脸盆、茶缸等生活用品，洗衣机、电冰箱等家电产品，汽车、火车等交通工具的外壳均是采用这种加工方法生产出来的。图1为体积成形与板料成形的示意图。

    因为被加工材料的塑性变形是在其弹性变形之后发生的，所以当外力去除后，弹性变形卸掉，塑性变形保留，与压力作用下所产生的外形有一定的差异，称之为回弹。这种现象可从铁丝的弯曲过程观察到，当我们用手握住铁丝的两端用力弯曲时，铁丝变成弓形，而当松开手后，明显感觉到铁丝的两端往回翘，且翘到一定程度后停止，此时弓形尺寸与刚才加力状态下的不一样了。所以工程技术人员经过计算要将模具的尺寸设计得“过”一些，以保证卸压后，工件恰好恢复到所需的外形尺寸。

    金属材料的塑性变形能力并不是无限的，当这种变形超过一定限度时，就会发生破裂，造成废品。为了充分发挥金属的塑性变形能力，人们经过长期的摸索与实践，终于发现：在一定的加工条件下，将金属材料的内部组织结构进行人为的某种改变，便能获得超乎寻常的塑性变形能力，可以达到300％以上的塑性变形效果，这就是金属材料的超塑成形。这是本世纪以来，在金属材料及其力学性能方面取得的重要成就之一，开辟了一个新的塑性加工领域。目前在这一课题中，尽管还有许多未知的东西，但它已广泛地应用于宇航、仪器仪表、电子工业、金属工艺制品及型腔模具等领域。

    近代先进的塑性加工设备、先进的塑性加工工艺的出现，更由于计算机技术的飞速发展，使得这种加工方式更具机械化、自动化和智能化，极大地促进了工业进步和社会发展。现在人们采用塑性加工生产方式，不再仅仅是为了获得所需要的工件外形和尺寸，还要通过不断地塑性变形，就像揉面一样，使金属坯料承受反复变形，使其内部组织更加密实、更加均匀，获得更佳的机械性能。现代的锻造生产方式应是同时根据产品外形尺寸要求和内部组织性能要求来设计加工工艺，称之为控制锻造。实践证明，这是今后锻造业发展的重要趋势。随着国民经济的不断发展，必然会有更新、更多的塑性加工工艺问世，以适应社会不断发展的要求。

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