楊豪虎

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲　412000）

機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理與工藝技術(shù)分析

楊豪虎

（湖南有色金屬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412000）

文章通過(guò)對(duì)機(jī)械加工工藝的強(qiáng)化原理進(jìn)行分析研究，并且根據(jù)當(dāng)前工藝設(shè)備以及強(qiáng)化原理的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理與強(qiáng)化工藝的關(guān)系進(jìn)行討論，從而分析出機(jī)械加工強(qiáng)化工藝的發(fā)展方向。

機(jī)械加工；強(qiáng)化激勵(lì)；加工工藝

隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，為了保證我國(guó)工業(yè)可以穩(wěn)定發(fā)展，對(duì)當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域所使用的材料以及零件的使用性能以及壽命提出了更高地要求，并且需要零件與材料必須適用于各種苛刻的環(huán)境當(dāng)中。對(duì)于零件而言，其材料的強(qiáng)度、摩擦磨損、腐蝕性以及耐熱性等都是影響零件使用壽命的重要因素，所以為了保證我國(guó)工業(yè)用料的正常穩(wěn)定，就必須對(duì)材料制造行業(yè)的技術(shù)提出更高地要求。

1　機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理

從微觀的角度出發(fā)，材料當(dāng)中原子間的結(jié)合力越緊密，則材料的強(qiáng)度越高，所以材料的塑性變形可以通過(guò)滑移來(lái)完成并且可以通過(guò)對(duì)滑移受力進(jìn)行計(jì)算從而計(jì)算出臨界盈利。但是，材料的實(shí)際強(qiáng)度要遠(yuǎn)弱于臨界應(yīng)力所計(jì)算出的實(shí)際強(qiáng)度，從而根據(jù)實(shí)際計(jì)算效果而得出晶體位錯(cuò)理論。這種理論的主要內(nèi)容以材料當(dāng)中的晶體位錯(cuò)為前提，從而利用位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)塑性變形，但是其設(shè)計(jì)道德范圍僅僅是幾列原子。雖然這種結(jié)論與實(shí)際材料強(qiáng)度依然存在一定的差距，所以可以根據(jù)這種差異性來(lái)保證材料強(qiáng)化機(jī)理的可靠性。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，通常是增大材料當(dāng)中晶體的錯(cuò)位密度，從而設(shè)置出障礙阻擋晶體的移動(dòng)，造成位錯(cuò)源活動(dòng)，并且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要根據(jù)材料的實(shí)際種類以及強(qiáng)化機(jī)制，強(qiáng)化機(jī)制可以分為固溶強(qiáng)化、輻照強(qiáng)化、擇優(yōu)取向強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化等等，從而根據(jù)加工設(shè)備以及加工方法對(duì)不同材料進(jìn)行滾壓工藝、軋制工藝、磨削強(qiáng)化工藝以及激光沖擊強(qiáng)化工藝。

（1）錯(cuò)位強(qiáng)化。雖然在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，臨界切應(yīng)力會(huì)由于材料晶體錯(cuò)位小于理論值，但是通過(guò)晶體的互相纏繞與作用，可以增大材料的位錯(cuò)密度，從而增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的困難度，增強(qiáng)材料的強(qiáng)度，提高材料的強(qiáng)度與硬度。由于這種反應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)中較為復(fù)雜，雖然建立了仿真模型，但是只能定性描述金屬?gòu)?qiáng)度中的位錯(cuò)行為。并且根據(jù)位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制，材料在生產(chǎn)過(guò)程中流變應(yīng)力的滑移面當(dāng)中有足夠的數(shù)量在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)其限度以及位錯(cuò)間距所需的應(yīng)力進(jìn)行掃描。并且其生產(chǎn)數(shù)據(jù)會(huì)等于位錯(cuò)滑移面上運(yùn)動(dòng)所受到的阻力，并且通過(guò)位錯(cuò)強(qiáng)化，材料的流變應(yīng)力會(huì)分為晶格阻力與錯(cuò)位強(qiáng)化貢獻(xiàn)。

（2）晶界強(qiáng)化。材料的位錯(cuò)會(huì)受到晶粒中晶界的阻礙受到一定的影響，并且在材料發(fā)生變形的過(guò)程中，其位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，并且當(dāng)晶界成為位錯(cuò)源的時(shí)候，密度會(huì)不斷增大，進(jìn)而提高材料強(qiáng)度，并且隨著材料強(qiáng)度增加，會(huì)發(fā)生直接作用以及間接作用。當(dāng)晶界本身會(huì)隨著晶體內(nèi)的滑移產(chǎn)生的阻力，從而產(chǎn)生直接強(qiáng)化作用，但是這種位錯(cuò)塞積會(huì)產(chǎn)生明顯的阻礙作用，并且其應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生較高的集中效果，從而影響晶體的變形效果。而進(jìn)行間接作用的過(guò)程中，通過(guò)晶體隨著晶體的彈性以及變形的相容性會(huì)產(chǎn)生一定的變化，并且讓晶體當(dāng)中的滑移以及多滑移產(chǎn)生集中的高應(yīng)力，從而提高了晶體的強(qiáng)度。

（3）應(yīng)變強(qiáng)化。在材料變形的過(guò)程中，由于應(yīng)變強(qiáng)化會(huì)使材料中原有的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生各種附加位錯(cuò)，并且在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中互相產(chǎn)生作用，并且隨著定位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)會(huì)使之前產(chǎn)生的位錯(cuò)造成一定的阻礙，從而增加了材料的強(qiáng)度。應(yīng)變強(qiáng)化又被稱為加工硬化，通常應(yīng)變強(qiáng)化對(duì)于晶體材料的硬化加工而言共有易滑移階段、線性硬化階段、動(dòng)態(tài)恢復(fù)硬化階段等三個(gè)階段。在易滑移階段，加工硬化速率會(huì)不斷降低，并且速率會(huì)受到材料晶體結(jié)構(gòu)、位向以及材料當(dāng)中存在雜質(zhì)的影響。而線性硬化階段的加工硬化速率會(huì)不斷變高，并且與材料的應(yīng)變量呈現(xiàn)出線性關(guān)系，不過(guò)在這個(gè)階段硬化速率不易受到材料的成分以及晶體位向的影響。而動(dòng)態(tài)恢復(fù)硬化階段的過(guò)程中，在這個(gè)階段硬化的速率會(huì)不斷降低，反應(yīng)過(guò)程中呈拋物線，并且在這個(gè)階段反應(yīng)速率會(huì)受到變形溫度、層錯(cuò)能以及應(yīng)變率的影響，應(yīng)力在變形過(guò)程中影響較小，這個(gè)階段會(huì)隨著材料的盈利飽和點(diǎn)結(jié)束。

（4）擇優(yōu)取向強(qiáng)化。在加工材料的過(guò)程中可以通過(guò)材料的精力擇優(yōu)取向來(lái)提高材料強(qiáng)度，并且塑性材料在發(fā)生變形的過(guò)程中通過(guò)晶粒擇優(yōu)取向會(huì)產(chǎn)生形變織構(gòu)，并且這種強(qiáng)化機(jī)理會(huì)產(chǎn)生纖維織構(gòu)與板織構(gòu)兩種結(jié)果。而且在加工的過(guò)程中，材料的組織會(huì)隨著形變織構(gòu)的強(qiáng)化均勻化，材料當(dāng)中的精力會(huì)以向線結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行排列。其中，形變織構(gòu)的模型主要由全約束與半約束組成。形變織構(gòu)在強(qiáng)化的過(guò)程中，其效果會(huì)受到材料的成分、結(jié)構(gòu)、變化溫度、處理工藝等因素的影響，在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，其形變溫度不斷降低，會(huì)使形變織構(gòu)不斷增強(qiáng)，如果形變溫度不斷增高的話，會(huì)讓材料的結(jié)晶晶體變大，使材料晶體變大，導(dǎo)致其內(nèi)部組織不穩(wěn)定，降低了強(qiáng)度。

2　機(jī)械加工強(qiáng)化工藝

（1）噴丸強(qiáng)化。在完全人工控制的狀態(tài)下，進(jìn)行噴丸強(qiáng)化的過(guò)程中，將大量的彈丸噴射到材料表面，從而使材料表層當(dāng)中的晶粒細(xì)化以及塑性產(chǎn)生變形，讓材料呈現(xiàn)出理想的組織結(jié)構(gòu)，并且殘余應(yīng)力的不斷強(qiáng)化，會(huì)提高材料的強(qiáng)度以及使用壽命。噴丸強(qiáng)化工藝是當(dāng)前使用最廣泛的表面強(qiáng)化工藝，這種強(qiáng)化工藝的加工效率高，并且操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低，使材料表面硬度以及使用壽命得到增加。并且靈活的使用噴丸工藝可以增強(qiáng)材料的抗腐蝕能力，對(duì)交變應(yīng)力以及應(yīng)力腐蝕下使用的材料與零件進(jìn)行加工的過(guò)程中，噴完強(qiáng)化是最為合適的工藝。

（2）激光沖擊強(qiáng)化。激光沖擊強(qiáng)化屬于噴丸強(qiáng)化的新工藝形式，但是由于設(shè)備的不同以及工藝存在一定的特殊性，導(dǎo)致這種加工方法被歸結(jié)為另一種材料加工工藝。激光沖擊強(qiáng)化工作通常是利用高功率密度、短脈沖的強(qiáng)激光穿透材料的約束層，從而使材料表面上的能量吸收激光，使其表面的能量汽化，汽化之后的蒸汽會(huì)不斷吸收激光當(dāng)中的能量，并且形成離子體發(fā)生爆炸，而這些爆炸物被限制在約束層與材料表面之后，其壓力會(huì)不斷升高，從而產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力波向材料內(nèi)部擴(kuò)散，當(dāng)壓力大于一定的等級(jí)之后，會(huì)使材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，從而使零件表層組織當(dāng)中的密度極具增大，導(dǎo)致表層晶粒不斷細(xì)化，從而讓材料強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，并且提高了材料的表面硬度以及流變強(qiáng)度。這種加工工藝會(huì)受到材料的涂層、約束層厚度、激光波長(zhǎng)、激光功率以及沖擊方式等影響，其中對(duì)材料的強(qiáng)化效果最明顯的是激光功率密度，所以在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，需要根據(jù)激光誘導(dǎo)以及沖擊波壓力對(duì)激光功率的密度進(jìn)行控制。

（3）滾壓強(qiáng)化。滾壓強(qiáng)化工藝的工作原理是通過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行滾壓，從而產(chǎn)生一定的壓力，利用材料的彈塑性變形，改變材料當(dāng)中的金屬組織結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、形狀與尺寸以及其機(jī)械特性發(fā)生改變。在進(jìn)行滾壓強(qiáng)化的過(guò)程中，可以對(duì)材料的強(qiáng)度及光整形進(jìn)行強(qiáng)化。在大部分的生產(chǎn)情況當(dāng)中，滾壓強(qiáng)化可以代替材料的表面處理，并且對(duì)材料的精加工工序也有著促進(jìn)作用，輥壓加工材料表面層的受壓面型會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生彈性變形以及塑性變形。但是如果滾壓強(qiáng)化工藝的滾壓力超過(guò)一定屈服點(diǎn)的時(shí)候，材料晶粒會(huì)發(fā)生滑移、位錯(cuò)與破碎的情況，并且產(chǎn)生塑性變形，在滾壓工具離開(kāi)之后，彈性變形的恢復(fù)會(huì)受到表層塑性變形的影響，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到強(qiáng)化材料強(qiáng)度的目的。

3　結(jié)語(yǔ)

材料強(qiáng)化工藝是保證工業(yè)材料強(qiáng)度、材料抗腐蝕性、耐熱性等因素的重要技術(shù)，發(fā)展機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理以及材料強(qiáng)化工藝是保證我國(guó)工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要條件，通過(guò)加強(qiáng)科研力度，對(duì)加工強(qiáng)化激勵(lì)以及強(qiáng)化工藝當(dāng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析與研究，并且通過(guò)科學(xué)合理的解決方法，保證我國(guó)工藝可以穩(wěn)定發(fā)展。

Analysis of Mechanical Processing Reinforcement Mechanism and Technology

YANG Hao-hu
（Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College，Zhuzhou，Hunan 412000，China）

Through the research on strengthening principle of machining process，and according to the principle of the process equipment and strengthening the development of the status quo，this paper discusses the relationship between the machining mechanism and strengthening technology，so as to analyze the development direction of mechanical processing reinforcement technology.

mechanical processing；strengthen incentives；processing technology

TH16

A

2095-980X（2016）07-0006-02

2016-06-07

楊豪虎（1982-），男，湖南湘潭人，碩士研究生，工程師，主要研究方向：機(jī)械、職業(yè)教育。