機械加工強化機理與工藝技術研究

尤文龍 楊 潔 董 瑞

（首都航天機械公司，北京 100076）

在當前工業(yè)快速發(fā)展背景下，人們對產(chǎn)品、零件以及相關設備提出了更復雜的需求，而機械加工強化是滿足這種需求的關鍵。但是，在實踐過程中，相關人員并未充分重視機械加工的強化工藝控制工作，這就在一定程度上降低了技術應用的效果價值。因此，人們應在明確機械加工強化機理的基礎上，與機械加工的實際情況與要求進行結合，以保證工藝技術在生產(chǎn)加工過程中所具備的作用功能得以實現(xiàn)。

1 研究機械加工強化機理與工藝技術的現(xiàn)實意義

當前，工業(yè)化發(fā)展對材料與零部件的使用性能及零件疲勞壽命提出更高要求，即不僅要適應嚴格的服務環(huán)境，還要具備耐摩擦、耐腐蝕以及耐熱等能力。機械加工不僅能夠滿足材料強度、耐久性需求，還能為加工零件疲勞壽命控制提供助力。由于機械加工市場環(huán)境的復雜性，增加了材料加工強化效果的控制難度，相關人員應在運用機械加工工藝技術前，明確機械加工強化的機理，使技術運用起到事半功倍的效果[1]。

2 機械加工強化機理分析

2.1 晶界強化

機械加工的強化，就是在機械材料中加入表面活性元素，通過提升其性能效果的可持續(xù)性來保證鋼的蠕變極限需求。此外，在強化多晶材料的過程中，因不同取向晶粒間的晶界會在一定程度上影響位錯強化效果。晶界材料的強化過程主要作用于兩個方面。一是直接作用，即晶界本身就對晶內(nèi)的滑移起到一定程度的阻礙作用。在實踐應用過程中，主要體現(xiàn)為：晶界處產(chǎn)生堆積，使應力逐漸集中，進而降低晶體出現(xiàn)變形的可能。二是間接作用，由于晶界部位材料的彈性形變與塑性形變存在不相容的問題，當滑移運動開始時，產(chǎn)生的應力會集中在晶界的影響區(qū)域，進而實現(xiàn)晶界的強化目標。

而多晶體的晶界強化主要體現(xiàn)在細晶強化，因大小不同，與晶界位置的距離也不同，故產(chǎn)生的形變阻力也不同。由此可以看出，從總體角度來看，晶界強化能夠提升材料的強度與性質，但強化過程應控制好材料形變間的應力關系，以避免間接作用中的應變形變不相容問題，而導致過早出現(xiàn)疲勞失效問題[2]。

2.2 位錯強化

機械加工的位錯強化是指由于未臨界的切應力比理論值小，位錯相互作用纏繞，會在一定程度上增加金屬材料的位錯密度。這是位錯強化的機理。此機理的運用，將使金屬材料的力學性能與硬度、強度相同，它們均能得到明顯提高。此外，對于位錯強化機制的運行，因流變應力內(nèi)存在大量位錯，所以在單位時間內(nèi)掃過一定面積應力時，所有運動位錯數(shù)值會一致，這樣就能克服滑移面上運動阻力所帶來的影響。

3 機械加工強化工藝及其裝備技術運用

3.1 噴丸強化工藝技術

機械加工的噴丸強化工藝方法的運用，需在完全控制狀態(tài)下，將大量運動彈丸噴射至材料表面，以使材料表層與次表層產(chǎn)生塑性變形與晶粒細化。這樣一來，就能以理想的組織結構與參與壓應力分布狀態(tài)來保證材料的加工強度與疲勞壽命。該強化工藝具有設備使用方式簡單、造價成本低與加工效率高等優(yōu)勢。其應用于大批量的機械加工生產(chǎn)，能夠大幅提升零件的疲勞壽命與硬度，使其作用于實踐的粗糙度能夠得到限制[3]。

具體來說，噴丸工藝會在材料表面形成一層強化層。由于表面強化層由大量變形孿晶與高密度的位錯組成，經(jīng)噴丸加工后，其強化層晶粒會發(fā)生變形與細化。由于晶粒內(nèi)部存在大量的亞晶界，強烈變形會導致表面產(chǎn)生較大的殘余壓應力，因此相關人員應根據(jù)機械加工強化的干濕狀態(tài)，確定采用何種噴丸法。選用機械設備時，應增加具備復雜零件處理功能的振動噴丸強化設備與用于飛行器大型零件處理的滾筒噴丸強化設備，進而實現(xiàn)機械加工強化的目標。

3.2 激光沖擊強化工藝技術

作為噴丸強化工藝的新形式，該工藝技術能夠利用短脈沖與高功率密度，將強激光通過透明約束層作用于金屬材料的能量吸收層上。這樣一來，當吸收層所吸收的能量實現(xiàn)汽化后，蒸汽就會吸收強激光的能量，進而形成等離子體。這里的工藝參數(shù)包括：激光波長、激光功率密度以及約束層厚度等。值得注意的是，由于噴丸強化工藝的激光功率密度大小會受到約束層與被加工零件材料使用的影響，因此，工藝技術人員應保證激光誘導沖擊波壓力大于材料的動態(tài)屈服強度。這樣一來，激光沖擊強化工藝技術的應用，就能提高機械加工設備的生產(chǎn)效果。

此外，由于激光沖擊強化工藝已經(jīng)廣泛作用于航空工業(yè)中零件表面改性處理以及板料的整體塑性成形，因此，在完成處理后，零件的表面質量、硬度以及殘余壓應力將得到明顯提高。人們應加大該項機械加工工藝技術的科研力度，使其廣泛作用于其他機械加工領域，進而促進經(jīng)濟發(fā)展。

3.3 滾壓強化工藝技術

滾壓強化工藝，是指用滾壓工具對材料表面施加一定壓力，常溫環(huán)境下，利用材料表面層金屬的彈塑性變形，實現(xiàn)改變金屬物理性質、組織結構以及形狀與尺寸等目標。在利用滾壓強化工藝加工材料表面層時，其受壓面積改變的同時，還產(chǎn)生了彈性變形與塑性變形。當滾壓力超出屈服點時，金屬晶粒會發(fā)生滑移、破碎以及位錯等現(xiàn)象。而且，表層材料也會產(chǎn)生塑性變形。但對于外層來說，當其處于拉應力狀態(tài)時，滾壓后表層會產(chǎn)生冷作硬化與晶粒細化，使得疲勞強度大幅度提升[4]。

4 結語

人們要充分利用現(xiàn)有的科學技術成果，促進機械加工強化機理與工藝技術的應用，以滿足機械產(chǎn)品加工的復雜性需求。事實證明，只有這樣才能推動機械制造業(yè)快速穩(wěn)定地向前發(fā)展。因此，相關人員應將上述內(nèi)容與科研結果更多地作用于各類機械產(chǎn)品加工中，使工藝技術發(fā)揮出更大的價值。