金属材料的塑性加工原理
生活当中如脸盆、茶缸等这样的日常生活用品，因为太过于普通，没有多少人会去仔细观察，即使观察，我们注意到的也无非是别致的外形尺寸，要不就是漂亮的装饰图案。一般不会去想这些东西是如何被生产出来的。现在是一个电器化、金属化的社会，到处都是琳琅满目的家用电器和林林总总的交通工具，当我们仔细观察它们的金属外壳时，便会发现它们表面光洁、厚度均匀，外形尺寸大小不一，形形色色。那么这些充斥着我们生活的金属制品是怎样制造出来的呢？说来话长，要先从金属材料的加工工艺原理说起。
金属材料的加工工艺就是指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。金属材料的加工工艺有以下几种形式：铸造工艺，即由液态金属变为固态金属；成形工艺，即由粉末状金属变为固态金属的粉末；切削加工工艺，即将多余金属去掉形成新的产品；焊接工艺，即多个金属拼接在一起；塑性成形工艺，即使金属变形成为产品等。其中，切削加工和塑性成形是比较重要的两种加工工艺。
切削加工跟用水果刀削水果是一个道理，只不过，水果刀削的是水果，而这个削的是金属材料。事先按照图纸要求，选择适当的特殊加工工具，对金属材料进行车、铣、刨、磨、钻等，以此去除多余的金属材料，使剩余的部分能够组成所要求的工件。这种加工方式的优点是具有很大的加工范围，适用面比较广；但也有其缺点，即因为过多地切屑，材料浪费严重，利用率相对较低。
与切削加工相对应的是塑性加工，这是一种利用外力使金属材料塑性变形以得到所需产品的加工方式。举个简单的例子，比如说铁匠打铁，就是用锤子不停地敲打烧红的铁块从而使其变形，最终打造成为农具、刀剑什么的，这就是一种常见的塑性加工。塑性加工的最大优点就是不产生废料，材料利用率相对较高，并且就产品来说，比其他加工方式具有相当高的加工精度和光洁度。再者，产品还具有很强的互换性，产品内部性能在加工过程中也能得到很大的改善，因此这种加工方式在国民经济生产中有着非常重要的地位。在秦始皇陵兵马俑坑的出土文物中，曾发掘出三把用合金钢锻制的宝剑，其中有一把不仅仍然完好无损，而且依旧锋利如昔，实在是令人惊叹。可见，早在二三千年前，塑性加工技术就被我国劳动人民牢牢掌握，并且广泛应用于生产工具和兵器，且技术水平已经相当高了。
塑性加工虽然是一种很好的加工方法，但塑性变形并不是金属材料唯一的变形方式，在有外力作用的时候，金属材料一般都是先发生弹性变形。就像我们用力拉压弹簧，弹簧在外力的作用下就会伸长或缩短，但当我们松开手时，弹簧就又恢复到了原位，变形也就相应消失了；还有，如果用锯片锯木头，当受到不正常侧向力作用时，锯片会就弯曲，当外力消失的时候，弯曲则也就随之消失了，锯片恢复原位完好如初，锯片的这种弹性性能有两个好处，一是能保护锯片不致被断裂破坏，二是使锯片能在弯曲的锯道里照样能正常工作。说起来金属材料这种可恢复的弹性变形性能确实特别好，美中不足的是很难用来制成成形的产品。因为，如果利用金属的这种弹性性能做成某件成形的产品，那么一旦当外力消失以后，这些辛辛苦苦生产出来的产品也就名存实亡了。不过这种变形程度一般比较小，是很难在其弹性范围内生产出特别大的变形的产品的。
如果有外力继续作用于金属材料，会导致金属材料的变形特征发生变化，即会发生塑性变形。此时要是把外力突然撤去，金属材料就不会再完全恢复到原来的形状和尺寸，这时呈现出来的将是另外一种不一样的外形特征，我们把这种残余下来的塑性变形叫做永久变形，我们马上要说到的塑性加工方式正是由它构成的。
塑性加工工艺的种类一般包括体积变形和板料变形两大类，体积变形主要是以锻造、轧制、挤压等工艺为主，使金属材料体积大量转移从而获得机器零件或毛坯。为了提高效率，采用较小的作用力获得较大的塑性变形效果，一般要在1000℃以上的高温下操作，加工设备多以锻锤、水压机、轧机等为主。20世纪60年代，我国自行设计制造了一台一万二千吨的水压机，这也说明了着我国的锻造工业已经达到了相当高的水平。板料成形简单来说就是利用专门的模具在压力机上对金属板料进行塑性加工，也称为板料冲压，因它一般需在室温下进行，所也有冷冲压的说法。板料成形的主要用处就是生产容器类产品。像脸盆、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都是采用这种加工方法生产出来的。下图就是体积成形与板料成形的示意图。
塑性加工工艺中经常会出现回弹的现象，由于被加工材料的塑性变形是在其弹性变形之后发生的，所以当外力消失以后，弹性变形也随之没有了，可塑性变形仍然存在，与压力作用下所产生的外形就产生了一定的差异。铁丝的弯曲过程很好地说明了这种现象。当我们握住铁丝的两端用力折时，铁丝会变成弓形，而手松开后，会明显地感觉到铁丝的两端在往回翘，直到翘到一定程度才停止，而此时比较一下，这样的弓形尺寸与刚才加力状态下的尺寸已经不同了。工程技术人员也因此得出结论，在经过计算后要将模具的尺寸设计得相对大一些，这便是为了保证卸压后，工件正好回弹到所需的外形和尺寸。
当金属材料的塑性变形超过一定限度时，就会发生破裂，从而造成废品，可见金属材料的这种变形也不是没有限度的。人们经过长时间的摸索与实践，终于使金属的塑性变形能力得到了充分的发挥，在一定的加工条件下，只须将金属材料的内部组织结构人为得做一些改变，就可以获得想象不到的塑性变形能力，塑性变形效果甚至能达到原来的300％以上的，被称做金属材料的超塑成形。这是人类在金属材料及其力学性能方面取得的非常大的一个成就，开辟了一个新的塑性加工领域。虽然还不尽完善，但已经被广泛地应用到了宇航、仪器仪表、电子工业、金属工艺制品及型腔模具等多个领域。
随着先进的塑性加工设备的出现和和不断更新的塑性加工工艺的发展，再加上计算机技术的飞速发展，使得塑性加工方式越来越机械化、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，除了获得合适的工件外形和尺寸外，还要通过金属材料承受反复变形，从而使其内部组织更加密实、更加均匀，以便获得更佳的机械性能。现代的锻造生产方式称之为控制锻造，即根据产品外形尺寸要求和内部组织性能要求同时来设计加工的一种工艺。这也将势必成为今后锻造业发展的一个趋势。随着国民经济的不断发展和科学技术的不断进步，将来肯定还会有新的塑性加工工艺出现，以适应生产力的飞速发展。
漫说捞面条
说到捞面条就不能不说捞面条的工具——笊篱。
笊篱出现得相当早，大概有几千年了。《封神演义》中说姜子牙发迹之前就是以编笊篱为生的。虚构的小说毕竟不是可靠的历史材料，不足为凭。最早有文字记载的是唐朝人段成式在《酉阳杂俎》中记录了安禄山受赏的物品，就有银笊篱一项。古时候饭店门口习惯挂一把笊篱作为幌子。清人李光庭在《乡言解颐》中就曾这样写笊篱，说其功能是“淅米、捞面、抄菜”，且附诗一首描写当时以笊篱作幌子的情景：“家无长物漏卮多，流水难盈结柳科，晓起抄云堆白粲，夕来捞月漉金波，莫当渔舍悬笭箵，不比欢场设叵箩，茅店招牌供一笑，破篱低挂绿杨柯。”笊篱的功能从捞面条上升为饭店的标志，可见其普及程度和重要性。然而捞面条的方法不仅只用笊篱这一种，还有一种就是筷子，而且捞得干净！它对于手上暂时还没有一把笊篱的小夫妻家庭，或是不经常吃面条而不值当买一把笊篱的人家，或许还有实用意义。拿筷子来挑面条，刚开始没什么问题，问题是最后剩下的几根捞起来麻烦。这时候，不妨先熄火，使锅内沸腾的面汤停下来。接着再拿筷子在锅里圆形搅动，这时面条自然会随着旋转的面汤集中到锅底中心，然后用筷子到锅底中心去捞。如此用不了几回，面条就会一点不剩地全捞干净了。
用流体力学不难对对这项“绝技”做出解释，也就是所谓的二次流问题。我们把旋转起来的面汤视为一次流动，那汤的微团做的即是圆周运动，加速度是指向圆心的。按照流体运动的原理，微团加速度和压力梯度的符号是相反的，因此压力强度从锅底中心向锅边是增加的，离中心越远压力越大。锅的上层，压力梯度和惯性力平衡。另外再看锅底的一层流体，锅底与流体的摩擦再加上流体的粘性，使得这层流体速度很小，惯性力也相应很小，此刻惯性力因不能和压差平衡，所以就产生了向中心运动的趋势。如图，沿回路OABC的流体运动，就是二次流。也正是它动将面条带到锅底中心的，面条煮熟后比重较大，这时二次流就力不从心了，不能使面条上升到面汤上层跟其上下翻滚兜圈子，因此面条只好乖乖地停在锅底中心，给筷子以用武之地。
二次流在我们的生活当中比较常见。如沏好一杯茶，拿勺子匀速慢慢圆形搅动，茶叶就会向杯底中心集合。再比如在河流的转弯处，外圈的河床一般比较深，这是因为泥沙都因同样的道理被集合到了内圈。
我们不妨来总结一下用筷子捞面条的“绝技”。一个锅内，汤和面都混合在一起，捞面条要解决的问题就是怎么样将其做合理地分离。可别过于小看了这个问题，古往今来，它向来就一直是科学家和工程师们皓首穷经研究的一个重要问题，通俗地说就是分离技术。这个技术的解决和推进势必会引起物理学、化学和技术部门等方面的革命性变化。若要纠其根源，还得从它的理论根据——力学上说开来去。
捞面条的方法无非两种，那就是笊篱海捞法和筷子搅动法。笊篱的发明是很有天才构想的，面条稳稳地被笊篱留住，面汤却在地球引力的作用下乖乖溜走了。对付锅底的那几个顽固分子，用笊篱很容易解决，但是，我们已经知道了，即使用筷子，照样可以达到目的。它的道理其实很简单，无非就是使混合介质形成一种运动，由于不同物质的运动轨迹是不同的，这样我们就可以在特定的地方守株待兔，轻而易举地使混合物分离，然后达到我们的目的——将面条捞起。
