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机械加工强化机理与工艺技术

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：丁军政1 夏亚洲2

[导读] 摘要：我国工业2025的美好愿景需要机械加工水平不断提升。

        1.身份证号：41022219891106xxxx 河南省郑州市 450000
        2.身份证号：41270219860820xxxx 河南省郑州市 450000
        摘要：我国工业2025的美好愿景需要机械加工水平不断提升。随着我国工业化的发展，对机械加工强化机理的研究越来越深，并在强化机理的指导下，不断优化机械加工工艺技术。本文首先分析了晶界强化和错位强化的机理，重点探讨与机械加工相关的工艺技术，包括喷丸强化、激光冲击强化和滚压强化等等。
        关键词：机械加工；强化机理；工艺技术
        引言：我国工业发展以及取得了长足进步，但是在机械加工方面还有很大的提升空间。在机械加工的各个方面，我国都在与国外先进技术进行学习，但是始终还有一段距离。国产的零件与进口零件的质量还是有一定差别，很多国外的零件材质与国内的零件材质无法完全对应。这主要是由于国外机械加工的机理研究深入，多金属材料的处理工艺更加完善。所以，只有深入了解机械加工强化机理，才能够在真正意义上提高机械加工的工艺和技术。
        一、机械加工强化机理分析
        1.晶界强化
        机械加工中用到的材料都需要有一定的强度和蠕变能力，否则无法适应加工的需求。为了保证在机械加工过程中能够有效对材料进行处理，使得材料满足工艺的需求，必须要对材料进行晶界强化。在机械强化处理中，添加金属元素用的比较广泛，但是在加工工艺方面，改变材料内部的应力应用更多。机械加工的强化，就是在机械材料中加入表面活性元素，通过提升其性能效果的可持续性来保证钢的蠕变极限需求。此外，在强化多晶材料的过程中，因不同取向晶粒间的晶界会在一定程度上影响位错强化效果。晶界材料的强化过程主要作用于两个方面。一是直接作用，即晶界本身就对晶内的滑移起到一定程度的阻碍作用。在实践应用过程中，主要体现为：晶界处产生堆积，使应力逐渐集中，进而降低晶体出现变形的可能。二是间接作用，由于晶界部位材料的弹性形变与塑性形变存在不相容的问题，当滑移运动开始时，产生的应力会集中在晶界的影响区域，进而实现晶界的强化目标。而多晶体的晶界强化主要体现在细晶强化，因大小不同，与晶界位置的距离也不同，故产生的形变阻力也不同。由此可以看出，从总体角度来看，晶界强化能够提升材料的强度与性质，但强化过程应控制好材料形变间的应力关系，以避免间接作用中的应变形变不相容问题，而导致过早出现疲劳失效问题。
        2.位错强化
        在机械加工强化机理中，错位强化非常重要，错位强化是评价金属材料的重要参数之一。位错这个参数直接反应了材料的硬度和强度，通过调整位错可以将材料加工到需要的强度，使得性能满足加工需求。
        机械加工的位错强化是指由于未临界的切应力比理论值小，位错相互作用缠绕，会在一定程度上增加金属材料的位错密度。这是位错强化的机理。此机理的运用，将使金属材料的力学性能与硬度、强度相同，它们均能得到明显提高。此外，对于位错强化机制的运行，因流变应力内存在大量位错，所以在单位时间内扫过一定面积应力时，所有运动位错数值会一致，这样就能克服滑移面上运动阻力所带来的影响。由此可见，位错与切应力有关，位错会影响金属材料的性质。正是由于位错有这种影响力，可以对其深度分析，然后利用位错来应对运动阻力带来的影响，从而改善金属的性质，为机械加工提供更多的可能。
        二、机械加工的相关强化工艺
        1.喷丸强化
        喷丸强化需要相关人员进行控制，通过向材料表面喷射多量的弹丸，使材料表面的晶粒逐渐细化甚至塑性出现变形，以达到所需要的理想组织结构。这种情况下，剩余应力会不断进行强化，进而材料的强度、使用寿命都将得到提高。喷丸的操作方法非常简单，无需过多生产成本，所以在实际加工中得到了广泛的应用。经过喷丸处理后的材料，常常具有良好的机械强度和抗腐蚀能力。

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        由此可见，喷丸工艺可以提高金属材料的强度，延长金属的使用寿命，还能够提高金属材料的防腐蚀能力。这是金属零部件所期望的结果。喷丸强化主要是对金属材料的应力进行处理和强化，本质上是改变了金属材料中晶粒的状态，使得晶粒发生了变形。喷丸不但能够改变金属材料的结构，提升其性能，同时也没有非常高的成本和复杂的操作难度。这就使得喷丸在机械加工中具有很好的普适性。
        2.激光冲击强化
        激光冲击强化是通过一系列的能量转换后，将光能转化为机械能，最终实现了金属材料内部应力的变化。应力变化之后，材料发生了塑性形变，强度也会得到提升。激光冲击强化工艺中，能量的转化过程是这样的。首先，激光发出的光能具有很高的温度，这可以使得金属表面的原子气化，进而成为离子态的金属离子，汽化的过程中会产生离子化能，这些离子化能的能量非常高，会在金属表面发生爆炸，这样就转变成为了动能，从金属表面向金属材料内部传递，产生可以扩散的应力波。所以，激光冲击强化的强度与激光自身的能量有关，在实际工艺中，要根据实际材料的需要来选择适合波长的激光。
        由此可见，激光冲击强化可以提高金属的强度，最终实现塑性变形。激光冲击强化与喷丸在原理上是比较接近的，都是通过外界环境的作用，使得金属内部的应力发生变化，进而产生塑性变形。激光冲击与喷丸处理的差异在于产生应力的能量源不同。喷丸处理是利用物理性碰撞来使得金属材料表面产生应力，激光冲击强化是将激光所蕴含的能力通过几经变化，最终实现材料内部应力的变化。
        激光冲击强化作用一种新的机械加工处理技术，其显著优点是通过激光来实现材料内部应力的变化。激光的处理材料时，对材料自身的表面积没有苛刻的要求，喷丸工艺中喷丸的体积需要与材料有效碰撞才可以，所以对材料本身的形状和尺寸有一定要求。所以，激光冲击强化技术可以处理更加精密的仪器零部件，实现精细加工。这属于机械加工行业中的一个里程碑。
        3.滚压强化
        滚压强化是对材料表面进行一定程度的滚压，然后产生一些压力，进而使材料发生弹塑性变形，从而改变材料内部的金属组织结构、物理特性、长短比例以及机械性质等。在材料进行滚压强化时，能为材料的强度进行强化。实际生产情况时，需要对材料表面进行处理时，完全可以用滚压强化进行代替，且滚压强化会在一定程度上促进材料的精加工工序良好进行。但是，进行时，滚压强化工艺的滚压力大于一定屈服点时，会使材料形成塑性变形。此时，即便使滚压工具离开，弹性变形也将因为受到表层塑性变形的影响而难以恢复。所以，往往无法使材料的强度得到强化。
        由此可见，滚压强化可以通过外力作用使得材料本身发生塑性形变，从而在机械强度方面得到提升。滚压工艺的本质将大于材料屈服点的压力作用在材料上面，从而实现表面硬度提升。滚压法与前两种工艺有显著的不同，这种工艺不但能够提升材料强度的性能，还能够改变材料的纵横比例。这种滚压过程中对材料长度的改变，在某些机械零件加工中有非常重要的作用。
        三、结语
        综上所述，在机械加工过程中，提高材料的强度，可以为加工创造更多的可能。现阶段，我国与金属强化相关的工艺主要是喷丸、激光冲击和滚压。这些处理工艺可以使得金属材料的强度得到提升，进而使得金属零部件的质量得到提升。随着材料学的发展，以及工业制造水平的提升，还会有其他与强化相关的生产工艺诞生。这就需要研究人员深入研究晶界强化和错位强化的机理，持续提高对理论知识的了解深度，同时拓宽对实际工艺技术的了解广度，最终理论实践双结合，最终推动机械加工行业的发展。
        参考文献：
        [1]杨豪虎.机械加工强化机理与工艺技术分析[J].时代农机，2016，43（7）.
        [2]赵松，牛文磊.探讨机械加工强化机理与工艺技术研究进展[J].工程技术：全文版，2017（2）.
        [3]刘洪文，袁豪.机械加工强化机理与工艺技术发展分析[J].工程技术：全文版，2017（1）.