金属机械加工制造的强化工艺研究

2019-01-03许洋

中国金属通报 2019年3期

许洋

（泊头职业学院，河北泊头 062150）

随着我国经济的不断增长，金属制造业也在不断发展。与此同时，金属机械加工技术和管理方式也在不断创新和完善。但是，社会发展对金属机械加工工艺的要求也越来越高，其在实际加工和运用中也存在一定的问题。金属加工制造对社会生产有着重要的影响，所以有必要对其加工工艺进行研究和分析，以不断促进金属加工工艺的改进和创新，推动我国机械加工技术和管理的进步。

材料强化一般通过合金化、塑性变形和热处理等方法改善材料组织和应力状态，以提高材料抵抗变形和疲劳失效的能力。材料变形主要是塑性变形，疲劳失效是由于疲劳裂纹的扩展，因此金属强化的着眼点是提高塑性变形的抗力和抑制疲劳裂纹扩展。机械加工除可以满足形状精度和尺寸精度等加工要求外，还可以提高材料的强度、耐磨性和加工零件的疲劳寿命，具有极高的社会效益和经济效益。

1 机械加工强化工艺及其装备技术

金属机械加工强化工艺包括喷丸强化、激光冲击强化、滚压强化、切削/磨削强化等；此外还有针对金属板材和线材的轧制工艺等。各种工艺的强化特点及应用场合有着明显的不同。

1.1 喷丸强化

喷丸强化在完全控制的状态下，将大量高速运动的弹丸喷射到材料表面，使材料表层和次表层产生晶粒细化和塑性变形，从而呈现理想的组织结构（组织强化）和残余压应力分布（应力强化），提高材料的强度和疲劳寿命。

喷丸工艺会在材料表面形成一层明显的强化层，表面强化层组织由大量的变形孪晶以及高密度位错组成。喷丸加工后的表面强化层晶粒发生变形和细化，晶粒内部存在大量亚晶界，并且强烈的塑性变形导致表面产生较高的残余压应力。因此喷丸强化是多种强化机理共同作用的结果，其中晶界强化、位错强化以及残余压应力引起的应力强化是喷丸强化主要作用机制。

喷丸强化设备主要以机械离心式和气动式设备为主。近年来，除了发展传统喷丸机之外，用于复杂零件处理的振动喷丸强化设备和用于飞行器大型零件处理的滚筒喷丸强化设备得到了快速发展。还涌现了一批新型喷丸加工技术。其中超声喷丸技术以及高压水喷丸技术的应用比较广泛。超声喷丸技术利用超声波使弹丸产生机械振动，从而驱动弹丸对材料进行喷丸处理。

喷丸的主要问题是均匀性，特别是零件边界的均匀性，否则易导致强化不均匀，在强化弱的边界易造成损伤。喷丸加工一般对拉伸面起作用而对压缩面不起作用，而且喷丸加工无法处理到零件的整个表面（特别是对复杂零件），弹丸在加工过程中易损坏，被破坏的弹丸对零件表面质量造成破坏，从而影响材料表面强化效果，严重时影响到零件加工表面质量。

1.2 激光冲击强化

激光冲击强化工艺有时被认为是喷丸强化的一种新工艺形式，但由于其强化设备和工艺的特殊性本文将其另归一类讨论。激光冲击强化利用高功率密度、短脉冲的强激光穿过透明约束层作用于覆盖在金属材料表面能量吸收层上（黑漆、铝箔、胶带等），吸收层吸收能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸，被限制在约束层和金属表面之间的爆炸物压力急剧升高，形成向零件内部传播的强应力波，压力高达GPa量级，远大于材料的动态屈服强度σH，从而使材料产生强烈塑性变形，导致零件表层组织中的位错密度急剧增加，表层晶粒细化，表面粗糙度降低，并且产生较高的残余压应力，提高了材料表面硬度、流变强度和疲劳寿命。因此激光冲击强化的主要强化机理是位错强化、应力强化和晶界强化。

激光冲击强化工艺参数包括涂层/约束层的厚度、激光波长、激光功率密度以及冲击方式等，其中激光功率密度对强化效果影响最为明显。激光功率密度的大小受到约束层和被加工零件材料的影响，必须保证激光诱导的冲击波压力p大于材料的动态屈服强度σH。一般情况下冲击波压力p在σH与2σH之间时，塑性变形随压力增加呈线性增加；冲击波压力p为2σH时，塑性变形达到饱和；冲击波压力p大于2.5σH时，表面释放波聚焦并从冲击边界放大，使残余应力场发生改变，冲击波压力p的最佳范围为2σH≤p≤2.5σH。涂层和约束层的厚度也存在类似规律，其具体厚度受被加工金属材料热力学性能参数、环境温度以及激光束参数的影响。

激光冲击强化工艺已应用于航空工业中零件表面改性处理以及板料（如机翼等）的整体塑性成形，处理之后的零件表面质量、硬度以及残余压应力均有着明显的提高，可显著提高材料表面强度和零件疲劳寿命。激光器是影响激光冲击强化工艺应用的主要因素。激光冲击强化装置按照激光器的工作介质分为三种类型：Nd3+：Glass（钕玻璃），Nd3+：YAG晶体，以及Nd3+：YAG陶瓷。其中Nd3+：Glass（钕玻璃）激光器是应用最广和发展最为成熟的激光器。钕玻璃易制成大体积制品，储能好，还易制成多种形状（如棒状、片状、板条），但其导热率低。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室与美国金属改进公司联合成功开发了高能高重复频率的钕玻璃激光冲击强化设备LLNL-MIC。

Nd3+：YAG晶体热导率高，传热性能好，便于散热，但是储能效果较差且晶体生长困难，较难获得大尺寸晶体。Nd3+：YAG陶瓷具有以上两种材料的综合优点，已研制出相关商用激光冲击强化设备。

激光冲击强化工艺具有高能、高压、高效、超高应变率4个显著优点，其加工效果较机械喷丸强化更明显，残余压应力层厚度更大（能到达喷丸强化的4倍）。其缺点是设备昂贵，加工环境需要特殊防护。

1.3 滚压强化

滚压工艺通过滚压工具对材料表面施加一定压力，在常温下利用材料表面层金属的弹塑性变形，改变表层金属的组织结构、物理性质、机械特性、形状和尺寸。多数情况下，它可代替材料的表面处理（如表面淬火，镀铬等）及精加工工序（如研磨、珩磨、抛光等），是一种无切屑精密强化加工技术。滚压加工材料表面层时，受压面积上同时产生塑性变形及弹性变形。当滚压力超过屈服点时，金属晶粒发生滑移、位错和破碎，表层材料产生塑性变形；而最表层以下的金属受到弹性张力，当滚压工具离开后，弹性变形的恢复因受到表层塑性变形的牵制，而无法实现。结果，加工表面最表层处于压应力状态，而外层处于拉应力状态，同时滚压后表层产生冷作硬化和晶粒细化，零件疲劳强度大幅提高。

滚压加工的强化机理主要是晶界强化、应变强化以及应力强化。滚压强化效果受零件-滚压工具接触区域的几何关系影响，接触部分的弹性模量也会影响强化效果。增加滚压力以及滚压工具直径能够提高残余压应力，但是由于接触区域的准确面积和应力状态不好确定，滚压力和残余应力之间的关系很难计算；而且当滚压力提高到一定程度之后，会造成零件表2.4 其他强化技术

磨削强化利用磨削热替代高、中频感应淬火热源对钢件表层进行强化处理，将磨削加工与表面强化合为一体。采用磨削强化处理零件时额外消耗的大量能量最终几乎都转化成了热能，其中约有60%～95%（普通切削时仅为10%）的热能进入零件，引起材料表层内产生显微硬度变化、相变、塑性变形、显微裂纹及残余应力等。

研究表明，磨削强化技术可以代替感应淬火和激光淬火等热处理工艺对淬硬钢进行表面强化处理，实现使用机床机械加工处理代替热处理。钢材的磨削强化可利用磨削过程中产生的热量使材料表层快速升温发生奥氏体化，并依靠砂轮磨粒或结合剂的滑擦与切削等机械作用使奥氏体晶粒产生形变，最后通过基体的高热导率快速冷却而实现马氏体相变，从而产生表面淬火效果。磨削强化机理主要是材料热处理引起的相变强化，与前述的其他机械加工强化机理存在明显区别。磨削强化设备使用磨床，无需另购专用设备。