金屬機械加工制造的強化工藝研究

許 洋

（泊頭職業(yè)學(xué)院，河北 泊頭 062150）

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，金屬制造業(yè)也在不斷發(fā)展。與此同時，金屬機械加工技術(shù)和管理方式也在不斷創(chuàng)新和完善。但是，社會發(fā)展對金屬機械加工工藝的要求也越來越高，其在實際加工和運用中也存在一定的問題。金屬加工制造對社會生產(chǎn)有著重要的影響，所以有必要對其加工工藝進行研究和分析，以不斷促進金屬加工工藝的改進和創(chuàng)新，推動我國機械加工技術(shù)和管理的進步。

材料強化一般通過合金化、塑性變形和熱處理等方法改善材料組織和應(yīng)力狀態(tài)，以提高材料抵抗變形和疲勞失效的能力。材料變形主要是塑性變形，疲勞失效是由于疲勞裂紋的擴展，因此金屬強化的著眼點是提高塑性變形的抗力和抑制疲勞裂紋擴展。機械加工除可以滿足形狀精度和尺寸精度等加工要求外，還可以提高材料的強度、耐磨性和加工零件的疲勞壽命，具有極高的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 機械加工強化工藝及其裝備技術(shù)

金屬機械加工強化工藝包括噴丸強化、激光沖擊強化、滾壓強化、切削/磨削強化等；此外還有針對金屬板材和線材的軋制工藝等。各種工藝的強化特點及應(yīng)用場合有著明顯的不同。

1.1 噴丸強化

噴丸強化在完全控制的狀態(tài)下，將大量高速運動的彈丸噴射到材料表面，使材料表層和次表層產(chǎn)生晶粒細化和塑性變形，從而呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)（組織強化）和殘余壓應(yīng)力分布（應(yīng)力強化），提高材料的強度和疲勞壽命。

噴丸工藝會在材料表面形成一層明顯的強化層，表面強化層組織由大量的變形孿晶以及高密度位錯組成。噴丸加工后的表面強化層晶粒發(fā)生變形和細化，晶粒內(nèi)部存在大量亞晶界，并且強烈的塑性變形導(dǎo)致表面產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力。因此噴丸強化是多種強化機理共同作用的結(jié)果，其中晶界強化、位錯強化以及殘余壓應(yīng)力引起的應(yīng)力強化是噴丸強化主要作用機制。

噴丸強化設(shè)備主要以機械離心式和氣動式設(shè)備為主。近年來，除了發(fā)展傳統(tǒng)噴丸機之外，用于復(fù)雜零件處理的振動噴丸強化設(shè)備和用于飛行器大型零件處理的滾筒噴丸強化設(shè)備得到了快速發(fā)展。還涌現(xiàn)了一批新型噴丸加工技術(shù)。其中超聲噴丸技術(shù)以及高壓水噴丸技術(shù)的應(yīng)用比較廣泛。超聲噴丸技術(shù)利用超聲波使彈丸產(chǎn)生機械振動，從而驅(qū)動彈丸對材料進行噴丸處理。

噴丸的主要問題是均勻性，特別是零件邊界的均勻性，否則易導(dǎo)致強化不均勻，在強化弱的邊界易造成損傷。噴丸加工一般對拉伸面起作用而對壓縮面不起作用，而且噴丸加工無法處理到零件的整個表面（特別是對復(fù)雜零件），彈丸在加工過程中易損壞，被破壞的彈丸對零件表面質(zhì)量造成破壞，從而影響材料表面強化效果，嚴重時影響到零件加工表面質(zhì)量。

1.2 激光沖擊強化

激光沖擊強化工藝有時被認為是噴丸強化的一種新工藝形式，但由于其強化設(shè)備和工藝的特殊性本文將其另歸一類討論。激光沖擊強化利用高功率密度、短脈沖的強激光穿過透明約束層作用于覆蓋在金屬材料表面能量吸收層上（黑漆、鋁箔、膠帶等），吸收層吸收能量而汽化，汽化后的蒸汽急劇吸收激光能量并形成等離子體而爆炸，被限制在約束層和金屬表面之間的爆炸物壓力急劇升高，形成向零件內(nèi)部傳播的強應(yīng)力波，壓力高達GPa量級，遠大于材料的動態(tài)屈服強度σH，從而使材料產(chǎn)生強烈塑性變形，導(dǎo)致零件表層組織中的位錯密度急劇增加，表層晶粒細化，表面粗糙度降低，并且產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力，提高了材料表面硬度、流變強度和疲勞壽命。因此激光沖擊強化的主要強化機理是位錯強化、應(yīng)力強化和晶界強化。

激光沖擊強化工藝參數(shù)包括涂層/約束層的厚度、激光波長、激光功率密度以及沖擊方式等，其中激光功率密度對強化效果影響最為明顯。激光功率密度的大小受到約束層和被加工零件材料的影響，必須保證激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力p大于材料的動態(tài)屈服強度σH。一般情況下沖擊波壓力p在σH與2σH之間時，塑性變形隨壓力增加呈線性增加；沖擊波壓力p為2σH時，塑性變形達到飽和；沖擊波壓力p大于2.5σH時，表面釋放波聚焦并從沖擊邊界放大，使殘余應(yīng)力場發(fā)生改變，沖擊波壓力p的最佳范圍為2σH≤p≤2.5σH。涂層和約束層的厚度也存在類似規(guī)律，其具體厚度受被加工金屬材料熱力學(xué)性能參數(shù)、環(huán)境溫度以及激光束參數(shù)的影響。

激光沖擊強化工藝已應(yīng)用于航空工業(yè)中零件表面改性處理以及板料（如機翼等）的整體塑性成形，處理之后的零件表面質(zhì)量、硬度以及殘余壓應(yīng)力均有著明顯的提高，可顯著提高材料表面強度和零件疲勞壽命。激光器是影響激光沖擊強化工藝應(yīng)用的主要因素。激光沖擊強化裝置按照激光器的工作介質(zhì)分為三種類型：Nd3+：Glass（釹玻璃），Nd3+：YAG晶體，以及Nd3+：YAG陶瓷。其中Nd3+：Glass（釹玻璃）激光器是應(yīng)用最廣和發(fā)展最為成熟的激光器。釹玻璃易制成大體積制品，儲能好，還易制成多種形狀（如棒狀、片狀、板條），但其導(dǎo)熱率低。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室與美國金屬改進公司聯(lián)合成功開發(fā)了高能高重復(fù)頻率的釹玻璃激光沖擊強化設(shè)備LLNL-MIC。

Nd3+：YAG晶體熱導(dǎo)率高，傳熱性能好，便于散熱，但是儲能效果較差且晶體生長困難，較難獲得大尺寸晶體。Nd3+：YAG陶瓷具有以上兩種材料的綜合優(yōu)點，已研制出相關(guān)商用激光沖擊強化設(shè)備。

激光沖擊強化工藝具有高能、高壓、高效、超高應(yīng)變率4個顯著優(yōu)點，其加工效果較機械噴丸強化更明顯，殘余壓應(yīng)力層厚度更大（能到達噴丸強化的4倍）。其缺點是設(shè)備昂貴，加工環(huán)境需要特殊防護。

1.3 滾壓強化

滾壓工藝通過滾壓工具對材料表面施加一定壓力，在常溫下利用材料表面層金屬的彈塑性變形，改變表層金屬的組織結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、機械特性、形狀和尺寸。多數(shù)情況下，它可代替材料的表面處理（如表面淬火，鍍鉻等）及精加工工序（如研磨、珩磨、拋光等），是一種無切屑精密強化加工技術(shù)。滾壓加工材料表面層時，受壓面積上同時產(chǎn)生塑性變形及彈性變形。當(dāng)滾壓力超過屈服點時，金屬晶粒發(fā)生滑移、位錯和破碎，表層材料產(chǎn)生塑性變形；而最表層以下的金屬受到彈性張力，當(dāng)滾壓工具離開后，彈性變形的恢復(fù)因受到表層塑性變形的牽制，而無法實現(xiàn)。結(jié)果，加工表面最表層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而外層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，同時滾壓后表層產(chǎn)生冷作硬化和晶粒細化，零件疲勞強度大幅提高。

滾壓加工的強化機理主要是晶界強化、應(yīng)變強化以及應(yīng)力強化。滾壓強化效果受零件-滾壓工具接觸區(qū)域的幾何關(guān)系影響，接觸部分的彈性模量也會影響強化效果。增加滾壓力以及滾壓工具直徑能夠提高殘余壓應(yīng)力，但是由于接觸區(qū)域的準確面積和應(yīng)力狀態(tài)不好確定，滾壓力和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系很難計算；而且當(dāng)滾壓力提高到一定程度之后，會造成零件表2.4 其他強化技術(shù)

磨削強化利用磨削熱替代高、中頻感應(yīng)淬火熱源對鋼件表層進行強化處理，將磨削加工與表面強化合為一體。采用磨削強化處理零件時額外消耗的大量能量最終幾乎都轉(zhuǎn)化成了熱能，其中約有60%～95%（普通切削時僅為10%）的熱能進入零件，引起材料表層內(nèi)產(chǎn)生顯微硬度變化、相變、塑性變形、顯微裂紋及殘余應(yīng)力等。

研究表明，磨削強化技術(shù)可以代替感應(yīng)淬火和激光淬火等熱處理工藝對淬硬鋼進行表面強化處理，實現(xiàn)使用機床機械加工處理代替熱處理。鋼材的磨削強化可利用磨削過程中產(chǎn)生的熱量使材料表層快速升溫發(fā)生奧氏體化，并依靠砂輪磨粒或結(jié)合劑的滑擦與切削等機械作用使奧氏體晶粒產(chǎn)生形變，最后通過基體的高熱導(dǎo)率快速冷卻而實現(xiàn)馬氏體相變，從而產(chǎn)生表面淬火效果。磨削強化機理主要是材料熱處理引起的相變強化，與前述的其他機械加工強化機理存在明顯區(qū)別。磨削強化設(shè)備使用磨床，無需另購專用設(shè)備。

2 小結(jié)

本文介結(jié)了用于解釋機械加工位錯強化、晶界強化、應(yīng)變強化、擇優(yōu)取向強化的理論模型及各強化機理在機械加工強化中的作用，分析了應(yīng)力強化中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因。介紹了機械加工工藝強化原理和工藝設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了機械加工強化機理和強化工藝的對應(yīng)關(guān)系，指出了機械加工強化工藝的發(fā)展方向。