系统讲解：铸造|锻造|挤出|冲压|CNC|焊接|MIM等8大金属成型工艺
系统讲解：铸造|锻造|挤出|冲压|CNC|焊接|MIM等8大金属成型工艺
金属材料在我们的生活中无处不在，从手机、手表到汽车、飞机，各种产品都离不开金属材料的支撑。而金属成型工艺则是将原材料转化为最终产品的关键环节。本文将系统介绍铸造、锻造、挤出、冲压、CNC、焊接、MIM和3D打印等8种主流金属成型工艺，帮助读者全面了解金属材料的加工过程。
在产品CMF设计领域，铝合金、不锈钢、镁合金、钛合金都是常用的金属。成型工艺也多种多样，包括：铸造、锻造、挤出、冲压、焊接、MIM（金属粉末注射成型）、CNC、3D打印等，本文配合产品案例来系统讲解一下，仅介绍CMF设计行业中常用到的。
一、铸造
在日常生活及工业领域中，很多金属制品都是采用铸造技术打造的。可以说，铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺。随着科学技术的不断发展，铸造工艺根据不同的需要也有了类型上的发展。前几天笔者刚发不过一篇文章，包含砂型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、金属型铸造、真空压铸、挤压铸造、消失模铸造、连续铸造、熔模铸造。大家可以点击下面链接文章了解详情，这里就不过多介绍了！
超详解析：一文了解10大金属铸造工艺（附产品案例）
二、锻造
锻造也习惯叫锻打，金属常用的加工工艺。具体指在锻造设备上借助工具或模具产生的冲击力或静压力，使坯料产生局部或全部塑性变形，以获得一定几何形状、尺寸、质量及力学性能的锻件。
图 锻铜壶
锻造的分类：
- 根据温度分为：冷锻、热锻。
- 根据成型是否用模具分为：自由锻、模锻和胎模锻。
- 按加工方法分为：手工锻造、机械锻造。
下面分别介绍每种锻造的概念。
- 冷锻：对处于室温的金属材料进行压力加工的锻造工艺；
- 热锻：金属材料被加热到再结晶温度以上，固相线以下的状态时进行压力加工的锻造工艺；
- 自由锻：指锻造时，金属胚料收到上下抵铁的压力，向四周（水平方向上）产生自由的塑性变形，自由锻的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、扭转、错移及锻接等；
- 模锻：将加热后的金属坯料固定放置在模锻设备上的锻模内锻造成型的。金属胚料的塑性变形受模具型腔的限制，是“不自由”的；
- 胎模锻：指在自由锻设备上使用可移动模具生产模锻件的一种锻造方法，是介于自由锻和模锻之间的一种工艺；
- 手工锻造：为传统加工方法，如古代锻造打造兵器；
- 机械锻造：现代加工方法，通过机械设备进行。
图 左图：手工锻造的龙泉剑；中图：手工锻造车间；右图：民国手工锻造的铜壶
锻造的优缺点如下表：
优点a/可消除零件或毛坯的内部缺陷b/锻件的形状、尺寸稳定性好c/韧性好、力学性能佳、强度高d/生产灵活性大缺点a/不能直接锻制成形状较复杂的零件b/锻件的尺寸精度不够高c/锻造生产所需的重型机器设备和复杂的工模具对于厂房基础要求较高，初次投资费用大
图 铝合金整体式锻造车轮
三、挤出
挤出也叫挤压，在塑料中也叫挤塑，在橡胶中叫压出，在金属中叫挤出。挤出的基本原理是将塑料、橡胶、金属等材料加热熔融后，通过施加压力将材料连续从指定挤压筒里通过带有形状的模具，材料被挤出冷却后成型，从而获得符合模孔截面的坯料或零件的加工方法。例如大家熟悉的铝合金型材
图 挤出成型的铝合金型材
常用的挤压方法有：正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压。
挤出件根据成型后的用途，可分为型材与板材。
- 挤出板材：指的是产品为具备一定厚度的平面状态板材。
- 挤出型材：指的是相较于板材，具备一定异型的状态。如圆筒、回型、凹形、凸形、沟槽状等等。如管材、家装直角料、塑料异型材、工业铝型材、导轨、连接件等。
图 铝挤压模具
挤出件的应用：门窗、金属管状物、结构件、面板、汽车零部件等。
图 铝挤出在奥迪A8车身中的应用（蓝色为铝挤出件）
挤出的优缺点如下表：
优点尺寸精确，表面光洁，常具有薄壁、深孔、异形截面等复杂形状，一般不需切削加工，节约了大量金属材料和加工工时，生产效率高。由于挤压过程的加工硬化作用，零件的强度、硬度、耐疲劳性能都有显著提高，有利于改善金属的塑性。挤出件生产效率高、一致性高。缺点挤出只能一个方向做连续性的加工，无法做更为复杂要求的工件
四、冲压
冲压是金属塑性加工方法之一，又称板料冲压。它是在压力作用下利用模具使金属板料分离或产生塑性变形，以获得所需工件的工艺方法，冲压加工利用不同的模具可以实现拉伸、弯曲、冲剪等工艺。
图 冷压平底锅
- 拉伸：将待加工的板材(坯料)放在凹模上，用压板对其施加一定的压力，然后利用冲头向下施力，将其拉伸成型。大多数金属容器都是用拉伸方法成型。
- 折弯：坯料放在凹模上，对凸模施加压力，在凹模与凸模的共同作用下，将坯料折弯成所需要的形状。折弯成型可分为板材折弯和线材折弯。
- 冲剪：加工时将坯料放在凹模上，对凸模施加冲击力，在凹模与凸模的共同作用下，裁剪掉部分金属，被剪掉的形取决于模具的形状。
冲压工艺的应用：汽车、家电、电子产品外壳、五金工具、建筑等。
图 汽车覆盖件大部分都是冲压打造
冲压的分类
- 按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。
- 按冲压的加工功能可分为冲裁加工和成型加工。
下面分别介绍每种冲压的概念。
- 热冲压：适合变形抗力高、塑性较差的板料加工。冷冲压可以制出形状复杂、质量较小而刚度好的薄壁件，其表面品质好，尺寸精度满足一般互换性要求，而不必再经切削加工。由于冷变形后产生加工硬化的结果，冲压件的强度和刚度有所提高。但薄壁冲压件的刚度略低，对一些形状、位置精度要求较高的零件，冲压件的应用就受到限制；
- 冷冲压：在室温下进行，是薄板常用的冲压方法；
- 冲裁加工：又称分离加工，包括冲孔、落料、修边、剪裁等；
- 成型加工：是使材料发生塑性变形，包括弯曲、拉深、卷边等，如果两类工序在同一模具中完成，则称为复合加工。
冲压的优缺点如下表：
优点生产销率高，产品尺寸精度较高，表面质量好，易于实现自动化、机械化，加工成本低，材料消耗少，适用于大批量生产。冲压加工生产效率高，成品合格率与材料利用率均高，产品尺寸均匀一致，表面光洁，可实现机械化、自动化，适合大批量生产，成本低，广泛应用于航空、汽车、仪器仪表、电器等工业部和生活日用品的生产缺点只适用于塑性材料加工，不能加工脆性材料，如铸铁、青铜等,不适用于加工形状较复杂的零件
五、机加工
机加工是机械加工的简称，是指通过机械精确加工去除材料的加工工艺。是在在零件生产过程中，直接用刀具在毛坯上切除多余金属层厚度，使之或者图纸要求的尺寸精度、形状和位置相互精度、表面质量等技术要求的加工过程。例如苹果电脑和消费电子产品多数采用的金属机加工工艺。
图 数控加工中心与机加工的iPad机身
机械加工主要有手动加工和数控加工两大类。
- 手动加工是指通过机械工人手工操作铣床、车床、钻床和锯床等机械设备来实现对各种材料进行加 工的方法。手动加工适合进行小批量、简单的零件生产。
- 数控加工就是我们熟知的CNC，运用数控设备来进行加工，设备包括加工中心、车铣中心、电火花线切割设备、螺纹切削机等。绝大多数的机加工车间都采用数控加工技术。通过编程，把工件在笛卡尔坐标系中的位置坐标(X，Y，Z)转换成程序语言，数控机床的CNC控制器通过识别和解释程序语言来控制数控机床的轴，自动按要求去除材料，从而得到精加工工件。数控加工以连续 的方式来加工工件，适合于大批量、形状复杂的零件。
图 创维手表金属表框，CNC打造
CNC是手板制作的主要设备，加工方式是将铝、铜、不锈钢等各种型号的金属材料以及各种塑料等雕刻成我们所需的实物样件。CNC加工出来的样件成型尺寸大、强度高、韧性好、成本低等优势，已成为手板制作的主流。
图 WIFI控制盒金属手板CNC加工，来自模世家官网
CNC的优缺点如下表：
优点a/加工精度高，具有较高的加工质量b/可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件，加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间c/机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高(一般为普通机床的3~5倍)。机床自动化程度高，可以减轻劳动强度d/批量化生产，产品质量容易控制缺点a/对操作人员的素质要求较低，对维护人员的技术要求较高。但其加工路线不易控制，不像普通机床 一样直观。其维修不便，技术要求较高b/工艺不易控制
图 苹果产品CNC打造
六、焊接
焊接想必大家都不陌生，也称作熔接。焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料的工艺技术。目前比较高端一点的焊接技术有激光焊接、冷喷涂焊接、超声波焊接等。
图 美国著名家具设计师 Eames 的两把椅子均采用的焊接的工艺
焊接的特点包括
- 焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量；
- 焊接的密封性好，适于制造各类容器；
- 发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高；
- 采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。
图 金属焊接汽车骨架
七、MIM
MIM即金属粉末注射成型，被称作是第五代金属成型工艺。这种工艺是在塑料注射成型基础上结合粉末冶金，新发展起来的技术，用于生产那些小型且结构复杂的产品，优势非常显著。
图 小米14 Ultra中框采用钛金属材质，MIM（金属粉末注射成型）工艺一体成型打造
MIM可以使零件不等厚的几何设计成为可能（提高设计自由度），还可以使复杂精密结构件在大批量生产时的成本大幅下降。除此之外，优势还包括：量产容易、精度提高、产品强度等自身性能优异、材料选择范围广泛等。
MIM不同于其他的金属成型工艺，有点类似塑胶注塑过程，是将金属粉末与粘结剂先混炼形成喂料（粒子），然后注塑成型，之后再把粘结剂脱除（脱脂过程），高温烧结，后加工处理。在生产前需要进行产品设计、模具设计及制造，之后的工序流程如下图所示：
图 MIM结构件
此部分内容来自CMF设计军团发布的原创文章：
干货 | 智能手表中常见的金属成型工艺：MIM（附产业链名录）
，感兴趣的话可以点击文章查看更为详细的MIM工艺介绍！
八、3D打印
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
图 金属3D打印设备与金属3D打印的工件。
3D的应用：3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
图 3D打印金属狮子头耳塞，来源 : V-Moda
图 3D打印陀飞轮腕表，表框为钛金属材质
一般来说，3D打印成本较高。3D打印后的产品往往表面效果不佳，需要再处理。目前只适合一些小规模制造，尤其是高端的定制化产品，比如汽车零部件制造。虽然主要材料还是塑料，但未来金属材料肯定会被运用到3D打印中来，未来可应用的范围会越来越广
图 3D打印自行车曲柄，材质为钛金属