机械加工强化机理与工艺技术研究

2018-02-17尤文龙

现代制造技术与装备 2018年4期

尤文龙杨洁董瑞

（首都航天机械公司，北京 100076）

在当前工业快速发展背景下，人们对产品、零件以及相关设备提出了更复杂的需求，而机械加工强化是满足这种需求的关键。但是，在实践过程中，相关人员并未充分重视机械加工的强化工艺控制工作，这就在一定程度上降低了技术应用的效果价值。因此，人们应在明确机械加工强化机理的基础上，与机械加工的实际情况与要求进行结合，以保证工艺技术在生产加工过程中所具备的作用功能得以实现。

1 研究机械加工强化机理与工艺技术的现实意义

当前，工业化发展对材料与零部件的使用性能及零件疲劳寿命提出更高要求，即不仅要适应严格的服务环境，还要具备耐摩擦、耐腐蚀以及耐热等能力。机械加工不仅能够满足材料强度、耐久性需求，还能为加工零件疲劳寿命控制提供助力。由于机械加工市场环境的复杂性，增加了材料加工强化效果的控制难度，相关人员应在运用机械加工工艺技术前，明确机械加工强化的机理，使技术运用起到事半功倍的效果[1]。

2 机械加工强化机理分析

2.1 晶界强化

机械加工的强化，就是在机械材料中加入表面活性元素，通过提升其性能效果的可持续性来保证钢的蠕变极限需求。此外，在强化多晶材料的过程中，因不同取向晶粒间的晶界会在一定程度上影响位错强化效果。晶界材料的强化过程主要作用于两个方面。一是直接作用，即晶界本身就对晶内的滑移起到一定程度的阻碍作用。在实践应用过程中，主要体现为：晶界处产生堆积，使应力逐渐集中，进而降低晶体出现变形的可能。二是间接作用，由于晶界部位材料的弹性形变与塑性形变存在不相容的问题，当滑移运动开始时，产生的应力会集中在晶界的影响区域，进而实现晶界的强化目标。

而多晶体的晶界强化主要体现在细晶强化，因大小不同，与晶界位置的距离也不同，故产生的形变阻力也不同。由此可以看出，从总体角度来看，晶界强化能够提升材料的强度与性质，但强化过程应控制好材料形变间的应力关系，以避免间接作用中的应变形变不相容问题，而导致过早出现疲劳失效问题[2]。

2.2 位错强化

机械加工的位错强化是指由于未临界的切应力比理论值小，位错相互作用缠绕，会在一定程度上增加金属材料的位错密度。这是位错强化的机理。此机理的运用，将使金属材料的力学性能与硬度、强度相同，它们均能得到明显提高。此外，对于位错强化机制的运行，因流变应力内存在大量位错，所以在单位时间内扫过一定面积应力时，所有运动位错数值会一致，这样就能克服滑移面上运动阻力所带来的影响。

3 机械加工强化工艺及其装备技术运用

3.1 喷丸强化工艺技术

机械加工的喷丸强化工艺方法的运用，需在完全控制状态下，将大量运动弹丸喷射至材料表面，以使材料表层与次表层产生塑性变形与晶粒细化。这样一来，就能以理想的组织结构与参与压应力分布状态来保证材料的加工强度与疲劳寿命。该强化工艺具有设备使用方式简单、造价成本低与加工效率高等优势。其应用于大批量的机械加工生产，能够大幅提升零件的疲劳寿命与硬度，使其作用于实践的粗糙度能够得到限制[3]。

具体来说，喷丸工艺会在材料表面形成一层强化层。由于表面强化层由大量变形孪晶与高密度的位错组成，经喷丸加工后，其强化层晶粒会发生变形与细化。由于晶粒内部存在大量的亚晶界，强烈变形会导致表面产生较大的残余压应力，因此相关人员应根据机械加工强化的干湿状态，确定采用何种喷丸法。选用机械设备时，应增加具备复杂零件处理功能的振动喷丸强化设备与用于飞行器大型零件处理的滚筒喷丸强化设备，进而实现机械加工强化的目标。

3.2 激光冲击强化工艺技术

作为喷丸强化工艺的新形式，该工艺技术能够利用短脉冲与高功率密度，将强激光通过透明约束层作用于金属材料的能量吸收层上。这样一来，当吸收层所吸收的能量实现汽化后，蒸汽就会吸收强激光的能量，进而形成等离子体。这里的工艺参数包括：激光波长、激光功率密度以及约束层厚度等。值得注意的是，由于喷丸强化工艺的激光功率密度大小会受到约束层与被加工零件材料使用的影响，因此，工艺技术人员应保证激光诱导冲击波压力大于材料的动态屈服强度。这样一来，激光冲击强化工艺技术的应用，就能提高机械加工设备的生产效果。

此外，由于激光冲击强化工艺已经广泛作用于航空工业中零件表面改性处理以及板料的整体塑性成形，因此，在完成处理后，零件的表面质量、硬度以及残余压应力将得到明显提高。人们应加大该项机械加工工艺技术的科研力度，使其广泛作用于其他机械加工领域，进而促进经济发展。

3.3 滚压强化工艺技术

滚压强化工艺，是指用滚压工具对材料表面施加一定压力，常温环境下，利用材料表面层金属的弹塑性变形，实现改变金属物理性质、组织结构以及形状与尺寸等目标。在利用滚压强化工艺加工材料表面层时，其受压面积改变的同时，还产生了弹性变形与塑性变形。当滚压力超出屈服点时，金属晶粒会发生滑移、破碎以及位错等现象。而且，表层材料也会产生塑性变形。但对于外层来说，当其处于拉应力状态时，滚压后表层会产生冷作硬化与晶粒细化，使得疲劳强度大幅度提升[4]。