許 洋

（泊頭職業(yè)學(xué)院，河北 泊頭 062150）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，金屬制造業(yè)也在不斷發(fā)展。與此同時(shí)，金屬機(jī)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(jī)械加工工藝的要求也越來越高，其在實(shí)際加工和運(yùn)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(jìn)行研究和分析，以不斷促進(jìn)金屬加工工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新，推動(dòng)我國機(jī)械加工技術(shù)和管理的進(jìn)步。

材料強(qiáng)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(kuò)展，因此金屬強(qiáng)化的著眼點(diǎn)是提高塑性變形的抗力和抑制疲勞裂紋擴(kuò)展。機(jī)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(qiáng)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(jì)效益。

1 機(jī)械加工強(qiáng)化工藝及其裝備技術(shù)

金屬機(jī)械加工強(qiáng)化工藝包括噴丸強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化、滾壓強(qiáng)化、切削/磨削強(qiáng)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(qiáng)化特點(diǎn)及應(yīng)用場合有著明顯的不同。

1.1 噴丸強(qiáng)化

噴丸強(qiáng)化在完全控制的狀態(tài)下，將大量高速運(yùn)動(dòng)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(xì)化和塑性變形，從而呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)（組織強(qiáng)化）和殘余壓應(yīng)力分布（應(yīng)力強(qiáng)化），提高材料的強(qiáng)度和疲勞壽命。

噴丸工藝會在材料表面形成一層明顯的強(qiáng)化層，表面強(qiáng)化層組織由大量的變形孿晶以及高密度位錯(cuò)組成。噴丸加工后的表面強(qiáng)化層晶粒發(fā)生變形和細(xì)化，晶粒內(nèi)部存在大量亞晶界，并且強(qiáng)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(qiáng)化是多種強(qiáng)化機(jī)理共同作用的結(jié)果，其中晶界強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化以及殘余壓應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)化是噴丸強(qiáng)化主要作用機(jī)制。

噴丸強(qiáng)化設(shè)備主要以機(jī)械離心式和氣動(dòng)式設(shè)備為主。近年來，除了發(fā)展傳統(tǒng)噴丸機(jī)之外，用于復(fù)雜零件處理的振動(dòng)噴丸強(qiáng)化設(shè)備和用于飛行器大型零件處理的滾筒噴丸強(qiáng)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(jī)械振動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)彈丸對材料進(jìn)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(qiáng)化不均勻，在強(qiáng)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(gè)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(qiáng)化效果，嚴(yán)重時(shí)影響到零件加工表面質(zhì)量。

1.2 激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化工藝有時(shí)被認(rèn)為是噴丸強(qiáng)化的一種新工藝形式，但由于其強(qiáng)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(qiáng)化利用高功率密度、短脈沖的強(qiáng)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(qiáng)應(yīng)力波，壓力高達(dá)GPa量級，遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σH，從而使材料產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形，導(dǎo)致零件表層組織中的位錯(cuò)密度急劇增加，表層晶粒細(xì)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(qiáng)度和疲勞壽命。因此激光沖擊強(qiáng)化的主要強(qiáng)化機(jī)理是位錯(cuò)強(qiáng)化、應(yīng)力強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化。

激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度σH。一般情況下沖擊波壓力p在σH與2σH之間時(shí)，塑性變形隨壓力增加呈線性增加；沖擊波壓力p為2σH時(shí)，塑性變形達(dá)到飽和；沖擊波壓力p大于2.5σH時(shí)，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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度和零件疲勞壽命。激光器是影響激光沖擊強(qiáng)化工藝應(yīng)用的主要因素。激光沖擊強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室與美國金屬改進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)，已研制出相關(guān)商用激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備。

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

1.3 滾壓強(qiáng)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(jī)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(qiáng)化加工技術(shù)。滾壓加工材料表面層時(shí)，受壓面積上同時(shí)產(chǎn)生塑性變形及彈性變形。當(dāng)滾壓力超過屈服點(diǎn)時(shí)，金屬晶粒發(fā)生滑移、位錯(cuò)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(shí)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(shí)滾壓后表層產(chǎn)生冷作硬化和晶粒細(xì)化，零件疲勞強(qiáng)度大幅提高。

滾壓加工的強(qiáng)化機(jī)理主要是晶界強(qiáng)化、應(yīng)變強(qiáng)化以及應(yīng)力強(qiáng)化。滾壓強(qiáng)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(qiáng)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(zhǔn)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(jì)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(qiáng)化技術(shù)

磨削強(qiáng)化利用磨削熱替代高、中頻感應(yīng)淬火熱源對鋼件表層進(jìn)行強(qiáng)化處理，將磨削加工與表面強(qiáng)化合為一體。采用磨削強(qiáng)化處理零件時(shí)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(shí)僅為10%）的熱能進(jìn)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(qiáng)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(jìn)行表面強(qiáng)化處理，實(shí)現(xiàn)使用機(jī)床機(jī)械加工處理代替熱處理。鋼材的磨削強(qiáng)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?；蚪Y(jié)合劑的滑擦與切削等機(jī)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(shí)現(xiàn)馬氏體相變，從而產(chǎn)生表面淬火效果。磨削強(qiáng)化機(jī)理主要是材料熱處理引起的相變強(qiáng)化，與前述的其他機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理存在明顯區(qū)別。磨削強(qiáng)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(jī)械加工位錯(cuò)強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、應(yīng)變強(qiáng)化、擇優(yōu)取向強(qiáng)化的理論模型及各強(qiáng)化機(jī)理在機(jī)械加工強(qiáng)化中的作用，分析了應(yīng)力強(qiáng)化中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因。介紹了機(jī)械加工工藝強(qiáng)化原理和工藝設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了機(jī)械加工強(qiáng)化機(jī)理和強(qiáng)化工藝的對應(yīng)關(guān)系，指出了機(jī)械加工強(qiáng)化工藝的發(fā)展方向。