探討金屬機械加工制造工藝

巫亮云

（廣西華磊新材料有限公司動力廠，廣西 百色 531499）

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，其中，在金屬制造業(yè)方面也有一定程度上的發(fā)展。同時，也在不斷創(chuàng)新和改善金屬機械的加工技術(shù)方式以及管理模式等等。然而，在金屬機械加工的實際過程中，還存有一些問題，但社會的發(fā)展對金屬加工制造工藝的要求越來越嚴(yán)格。社會的生產(chǎn)發(fā)展離不開金屬加工制造業(yè)，因此，對于該工業(yè)存在的問題要進(jìn)行深入分析和研究，不斷對金屬加工的工藝進(jìn)行革新和完善，促使我國的機械加工水平不斷向前發(fā)展。

1 金屬機械加工工藝可靠性內(nèi)容

（1）機械制造工藝可靠性背景。金屬機械加工制造包括金屬產(chǎn)品的方案規(guī)劃、工作設(shè)計與加工工作，以及完成后的檢測與維修工作，其是一個整體性的工程。對機械制造工藝的可靠性進(jìn)行分析和研究，能夠保證金屬加工產(chǎn)品的質(zhì)量，在完成全部加工任務(wù)之后，還能為該產(chǎn)品的售后與使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行維護(hù)。對于制造工藝進(jìn)行監(jiān)督和管理，是制造工程順利完成的關(guān)鍵，也是一個十分重要的任務(wù)。在對金屬進(jìn)行加工制造時，企業(yè)的管理水平高低，對其具有重要的影響。企業(yè)要保證科學(xué)和高效的管理水平，如此才能夠提高金屬加工生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。此外，金屬機械加工工藝的可靠性還受到社會的發(fā)展以及企業(yè)自身運營情況的影響。

（2）機械制造工藝可靠性新要求。當(dāng)前我國的金屬加工制造工藝呈現(xiàn)專業(yè)化的趨勢，但是在推進(jìn)機械制造工藝可靠性方面，還應(yīng)當(dāng)重視對于金屬加工工藝的設(shè)計方案，以及加工產(chǎn)品的質(zhì)量等等。在實際加工過程當(dāng)中，要重視公益的革新，并且保證加工工藝的可靠性。只有充分發(fā)揮金屬加工工藝的專業(yè)性以及科學(xué)性，才能保證金屬加工制造的可持續(xù)發(fā)展。同時，這一環(huán)節(jié)需要工作人員和研究人員進(jìn)行密切的配合與溝通。對于金屬加工工藝的研究人員來說，其要具備一定的職業(yè)素養(yǎng)和高度的責(zé)任心，并且能夠充分發(fā)揮自己的專業(yè)技能，不斷為金屬加工工藝提供與時俱進(jìn)的方案，促進(jìn)新技術(shù)的研究，從而使金屬加工工藝能夠不斷地向前發(fā)展。

2 機械制造工藝可靠性研究要素分析

（1）生產(chǎn)工藝管理環(huán)節(jié)。機械制造業(yè)生產(chǎn)工藝的管理環(huán)節(jié)是整個機械產(chǎn)品制造過程中不可或缺的一部分，也是整個制造體系的核心所在。企業(yè)管理水平的高低，直接影響生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)行統(tǒng)一和科學(xué)的管理，能夠提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量和效率；反之，無序的管理則會導(dǎo)致生產(chǎn)的質(zhì)量降低。

（2）產(chǎn)品可靠性檢測環(huán)節(jié)。金屬加工產(chǎn)品的可靠性檢測環(huán)節(jié)要在產(chǎn)品出廠之前進(jìn)行。要及時檢測出不符合生產(chǎn)質(zhì)量的產(chǎn)品，找出引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問題的因素，能夠從根本上提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量以及出廠的合格率。

（3）產(chǎn)品完工檢測環(huán)節(jié)。在機械制造工藝產(chǎn)品生產(chǎn)完成之后，還要對其進(jìn)行一個全面的檢測，保證其達(dá)到合格要求。這個環(huán)節(jié)對于保證工藝可靠性具有重要的作用，需要檢測員根據(jù)產(chǎn)品檢驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)真負(fù)責(zé)的檢測，并對這些產(chǎn)品進(jìn)行一個科學(xué)的評估。

3 金屬機械加工強化工藝及其裝備技術(shù)

（1）噴丸強化。噴丸強化是指利用彈丸在高速運動中的慣性，在完全控制的條件下，直接噴射到產(chǎn)品的表面，使材料的表面和次表面發(fā)生可塑性形變，從而使組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力得到強化，從而增加產(chǎn)品的使用年限。

利用噴丸工藝，在產(chǎn)品的表層構(gòu)造一層強化面，這是由高密度的變形孿晶和位錯構(gòu)成的。加工后的材料表層會形成形變的晶粒，這些晶粒大量存在于亞晶界，由強烈的塑性形變而導(dǎo)致較多的殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生于表層。因此，噴完強化是由多種不同的強化機制共同作用下完成的，其中起到主要強化作用機制的是位錯強化、殘余壓應(yīng)力強化以及晶界強化。

傳統(tǒng)的噴丸強化機械主要包括離心式和氣動式的設(shè)備。近年來，除了這種傳統(tǒng)的噴丸強化設(shè)備之外，振動噴丸強化設(shè)備應(yīng)運而生，并取得了飛速的發(fā)展。此外，噴丸的加工技術(shù)也發(fā)生了迭代更新，其中應(yīng)用最廣泛的是超聲噴丸以及高壓水噴丸的技術(shù)。超聲噴丸技術(shù)的原理是借助超聲波促使彈丸發(fā)生震動，利用彈丸的驅(qū)動對材料進(jìn)行加工處理。在使用噴丸技術(shù)時，要注意均勻性的問題，特別要關(guān)注零件邊緣的均勻，如果噴丸強化不均勻，則會造成邊界的損傷。噴丸加工起作用的一面主要在于拉伸面，對于壓縮面來說是不起任何作用的，而且噴完的加工處理不能保證整個零件表面都能接受同樣的處理，在加工過程當(dāng)中，彈丸十分容易受損，而受損的彈丸進(jìn)而會影響零件的表面質(zhì)量，從而使材料表面得不到強化，有時甚至嚴(yán)重影響零件加工的質(zhì)量。

（2）激光沖擊強化。噴丸強化的新工藝形式，還包括激光沖擊強化。但是這種形式存在其特殊性，所以本文將其劃為另一類進(jìn)行探討。激光沖擊強化是指利用功率高脈沖短的強激光刺穿約束層，并將其作用在材料的表層上，材料的吸收層將這些能量吸收而發(fā)生汽化作用，蒸汽汽化時會快速吸收激光的能量，在形成等離子體之后會發(fā)生爆炸，而在約束層和金屬表層之間的等離子體壓力急速升高，形成一個強硬力波向零件的內(nèi)部進(jìn)行傳播，在此期間，其壓力值可高達(dá)GPa量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的動態(tài)屈服強度，因此材料會發(fā)生嚴(yán)重的可塑性形變，零件表層的位錯密度快速升高，表面的精粒開始細(xì)化，粗糙度開始降低，產(chǎn)生一個較高的殘余壓應(yīng)力，最終提高材料的使用年限。在激光沖擊強化中，主要應(yīng)用的機制是位錯強化精、晶粒強化以及應(yīng)力強化。

激光沖擊強化的參數(shù)包括以下幾個方面：激光的波長、功率的大小、材料表面的厚度和進(jìn)行沖擊的方式等等。在這些參數(shù)當(dāng)中，功率的大小對強化效果所造成的影響是最為直觀的。對被加工零件進(jìn)行激光沖擊強化時，要使激光沖擊波的壓力值始終大于零件的動態(tài)屈服強度。在一般情況當(dāng)中，沖擊波的壓力為材料動態(tài)屈服強度的1至2倍時，材料發(fā)生的塑性形變會隨著壓力值的增大而增強；當(dāng)激光沖擊波壓力，正好為材料動態(tài)屈服強度的兩倍時，塑性形變達(dá)到飽和狀態(tài)；當(dāng)激光沖擊波的壓力值大于2.5倍的材料動態(tài)屈服強度時，材料表面會釋放波聚焦，從而改變殘余應(yīng)力場。因此，激光沖擊波的壓力值應(yīng)當(dāng)在2倍至2.5倍的材料動態(tài)屈服強度之間。類似的規(guī)律還存在于涂層與約束層厚度當(dāng)中，其厚度會受到外界環(huán)境和激光參數(shù)等的影響。

激光沖擊強化的工藝已經(jīng)投入到航空工業(yè)零件的生產(chǎn)中使用，能夠使機翼材料的整體形成塑性形變，對材料表面進(jìn)行處理，使材料的質(zhì)量、硬度以及殘余壓應(yīng)力得到顯著提高，從而使材料的使用年限增加。激光沖擊強化工藝的主要影響因素是激光器。激光沖擊強化，根據(jù)激光器的工作介質(zhì)，可以分為三種類型，其中釹玻璃激光器是發(fā)展最好、應(yīng)用最廣泛的一種。釹玻璃材料的可塑性極強，能夠被加工成各種各樣的形體，并且其能夠較容易的制造成大體積的產(chǎn)品，且其儲能效果較好，但是它的缺點在于導(dǎo)熱率很低。美國的Lawrence Livermore國家實驗室，和美國的金屬改進(jìn)公司進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)，并成功制造出了能量較高、頻率較高的釹玻璃激光沖擊強化設(shè)備。

激光沖擊強化的工藝具有能量較高、壓力較強、效率極高、應(yīng)變率超高四個明顯的優(yōu)勢，激光沖擊強化的工藝效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機械噴丸強化，其殘余壓應(yīng)力層的厚度高達(dá)噴丸強化的四倍，但是由于其設(shè)備價格較高，對加工環(huán)境的要求很高，因此沒有得到大規(guī)模的投入與使用。

（3）滾壓強化。滾壓強化工藝是指利用滾壓工具施加一定的壓力于材料的表面，在常溫當(dāng)中，使材料的表面發(fā)生可塑性的彈性形變，從而改變材料表層的結(jié)構(gòu)組織、物理特性、機械性能等等。在大多數(shù)條件下，它能夠代替材料的表面處理和加工，屬于高精密強化加工技術(shù)的一種。利用滾壓工具對材料表面進(jìn)行加工時，受壓面上會同時發(fā)生塑性形變和彈性形變。一旦滾壓力大于材料屈服點時，材料表面的晶粒會發(fā)生位錯甚至破碎，產(chǎn)生一個塑性形變；而表層之下的材料會受到一個彈性張力，即使在滾壓工具離開后，也無法實現(xiàn)彈性形變的恢復(fù)。同時，材料的表面始終處于壓應(yīng)力的狀態(tài)，而外層被引力牽引，此時表層因受到滾壓而產(chǎn)生硬化和細(xì)化的晶粒，大大降低了零件的使用年限。

滾壓加工技術(shù)的強化機制主要包括應(yīng)變強化、應(yīng)力強化以及精解強化。零件和滾壓工具的接觸面形成的幾何關(guān)系會影響滾壓強化效果，接觸部位的彈性量也會對其產(chǎn)生一定的影響。適當(dāng)?shù)脑黾虞亯毫蜐L壓工具的面積，對殘余壓應(yīng)力有一定的提高效果，但是接觸區(qū)域的準(zhǔn)確面積很難進(jìn)行計算，因此滾壓力和殘余應(yīng)力之間的狀態(tài)也無法準(zhǔn)確表達(dá)。

（4）磨削強化。應(yīng)用磨削強化對材料表面進(jìn)行處理，使磨削加工與表面強化相結(jié)合，以代替淬火的處理。在進(jìn)行磨削強化的過程中，對零件處理時形成的巨大能量最終都轉(zhuǎn)變成了熱能，其中約有60%至95%的熱能能夠進(jìn)入零件，從而使材料的表層發(fā)生輕微的變化、相變、塑性形變、裂紋細(xì)紋，和殘余應(yīng)力等等。

根據(jù)研究表明，感應(yīng)淬火和激光淬火等熱處理工藝能夠被磨消強化技術(shù)所替代，完成對硬鋼表面的強化處理，實現(xiàn)機床機械的全面加工處理。在對鋼材進(jìn)行磨削強化時，其材料表面的溫度快速升高產(chǎn)生奧氏體化，借助砂輪磨粒或結(jié)合劑進(jìn)行作用，使奧氏體晶粒產(chǎn)生變形，最后使機械快速冷卻，產(chǎn)生馬氏體相變，形成表面淬火效果。磨削強化機制是利用材料的熱處理使相變強化，與上文所述的幾種加工技術(shù)具有顯著區(qū)別，磨削強化可以使用磨床，因此不需要另購設(shè)備。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對金屬加工工藝的要求也逐漸提高。對于整個人類社會的生產(chǎn)生活來說，金屬機械的加工制造產(chǎn)業(yè)始終占據(jù)重要的地位。因此，在實際情況當(dāng)中，要對金屬機械加工工藝進(jìn)行深入研究和分析，使金屬加工工藝能夠不斷革新和完善。