探讨金属机械加工制造工艺

巫亮云

（广西华磊新材料有限公司动力厂，广西 百色 531499）

随着我国经济社会的发展，科学技术水平不断提高，其中，在金属制造业方面也有一定程度上的发展。同时，也在不断创新和改善金属机械的加工技术方式以及管理模式等等。然而，在金属机械加工的实际过程中，还存有一些问题，但社会的发展对金属加工制造工艺的要求越来越严格。社会的生产发展离不开金属加工制造业，因此，对于该工业存在的问题要进行深入分析和研究，不断对金属加工的工艺进行革新和完善，促使我国的机械加工水平不断向前发展。

1 金属机械加工工艺可靠性内容

（1）机械制造工艺可靠性背景。金属机械加工制造包括金属产品的方案规划、工作设计与加工工作，以及完成后的检测与维修工作，其是一个整体性的工程。对机械制造工艺的可靠性进行分析和研究，能够保证金属加工产品的质量，在完成全部加工任务之后，还能为该产品的售后与使用中出现的问题进行维护。对于制造工艺进行监督和管理，是制造工程顺利完成的关键，也是一个十分重要的任务。在对金属进行加工制造时，企业的管理水平高低，对其具有重要的影响。企业要保证科学和高效的管理水平，如此才能够提高金属加工生产的质量和效率。此外，金属机械加工工艺的可靠性还受到社会的发展以及企业自身运营情况的影响。

（2）机械制造工艺可靠性新要求。当前我国的金属加工制造工艺呈现专业化的趋势，但是在推进机械制造工艺可靠性方面，还应当重视对于金属加工工艺的设计方案，以及加工产品的质量等等。在实际加工过程当中，要重视公益的革新，并且保证加工工艺的可靠性。只有充分发挥金属加工工艺的专业性以及科学性，才能保证金属加工制造的可持续发展。同时，这一环节需要工作人员和研究人员进行密切的配合与沟通。对于金属加工工艺的研究人员来说，其要具备一定的职业素养和高度的责任心，并且能够充分发挥自己的专业技能，不断为金属加工工艺提供与时俱进的方案，促进新技术的研究，从而使金属加工工艺能够不断地向前发展。

2 机械制造工艺可靠性研究要素分析

（1）生产工艺管理环节。机械制造业生产工艺的管理环节是整个机械产品制造过程中不可或缺的一部分，也是整个制造体系的核心所在。企业管理水平的高低，直接影响生产产品的质量，进行统一和科学的管理，能够提高生产产品的质量和效率；反之，无序的管理则会导致生产的质量降低。

（2）产品可靠性检测环节。金属加工产品的可靠性检测环节要在产品出厂之前进行。要及时检测出不符合生产质量的产品，找出引发产品质量问题的因素，能够从根本上提高生产产品的质量以及出厂的合格率。

（3）产品完工检测环节。在机械制造工艺产品生产完成之后，还要对其进行一个全面的检测，保证其达到合格要求。这个环节对于保证工艺可靠性具有重要的作用，需要检测员根据产品检验标准进行认真负责的检测，并对这些产品进行一个科学的评估。

3 金属机械加工强化工艺及其装备技术

（1）喷丸强化。喷丸强化是指利用弹丸在高速运动中的惯性，在完全控制的条件下，直接喷射到产品的表面，使材料的表面和次表面发生可塑性形变，从而使组织结构和应力得到强化，从而增加产品的使用年限。

利用喷丸工艺，在产品的表层构造一层强化面，这是由高密度的变形孪晶和位错构成的。加工后的材料表层会形成形变的晶粒，这些晶粒大量存在于亚晶界，由强烈的塑性形变而导致较多的残余压应力产生于表层。因此，喷完强化是由多种不同的强化机制共同作用下完成的，其中起到主要强化作用机制的是位错强化、残余压应力强化以及晶界强化。

传统的喷丸强化机械主要包括离心式和气动式的设备。近年来，除了这种传统的喷丸强化设备之外，振动喷丸强化设备应运而生，并取得了飞速的发展。此外，喷丸的加工技术也发生了迭代更新，其中应用最广泛的是超声喷丸以及高压水喷丸的技术。超声喷丸技术的原理是借助超声波促使弹丸发生震动，利用弹丸的驱动对材料进行加工处理。在使用喷丸技术时，要注意均匀性的问题，特别要关注零件边缘的均匀，如果喷丸强化不均匀，则会造成边界的损伤。喷丸加工起作用的一面主要在于拉伸面，对于压缩面来说是不起任何作用的，而且喷完的加工处理不能保证整个零件表面都能接受同样的处理，在加工过程当中，弹丸十分容易受损，而受损的弹丸进而会影响零件的表面质量，从而使材料表面得不到强化，有时甚至严重影响零件加工的质量。

（2）激光冲击强化。喷丸强化的新工艺形式，还包括激光冲击强化。但是这种形式存在其特殊性，所以本文将其划为另一类进行探讨。激光冲击强化是指利用功率高脉冲短的强激光刺穿约束层，并将其作用在材料的表层上，材料的吸收层将这些能量吸收而发生汽化作用，蒸汽汽化时会快速吸收激光的能量，在形成等离子体之后会发生爆炸，而在约束层和金属表层之间的等离子体压力急速升高，形成一个强硬力波向零件的内部进行传播，在此期间，其压力值可高达GPa量级，远远高于材料的动态屈服强度，因此材料会发生严重的可塑性形变，零件表层的位错密度快速升高，表面的精粒开始细化，粗糙度开始降低，产生一个较高的残余压应力，最终提高材料的使用年限。在激光冲击强化中，主要应用的机制是位错强化精、晶粒强化以及应力强化。

激光冲击强化的参数包括以下几个方面：激光的波长、功率的大小、材料表面的厚度和进行冲击的方式等等。在这些参数当中，功率的大小对强化效果所造成的影响是最为直观的。对被加工零件进行激光冲击强化时，要使激光冲击波的压力值始终大于零件的动态屈服强度。在一般情况当中，冲击波的压力为材料动态屈服强度的1至2倍时，材料发生的塑性形变会随着压力值的增大而增强；当激光冲击波压力，正好为材料动态屈服强度的两倍时，塑性形变达到饱和状态；当激光冲击波的压力值大于2.5倍的材料动态屈服强度时，材料表面会释放波聚焦，从而改变残余应力场。因此，激光冲击波的压力值应当在2倍至2.5倍的材料动态屈服强度之间。类似的规律还存在于涂层与约束层厚度当中，其厚度会受到外界环境和激光参数等的影响。

激光冲击强化的工艺已经投入到航空工业零件的生产中使用，能够使机翼材料的整体形成塑性形变，对材料表面进行处理，使材料的质量、硬度以及残余压应力得到显著提高，从而使材料的使用年限增加。激光冲击强化工艺的主要影响因素是激光器。激光冲击强化，根据激光器的工作介质，可以分为三种类型，其中钕玻璃激光器是发展最好、应用最广泛的一种。钕玻璃材料的可塑性极强，能够被加工成各种各样的形体，并且其能够较容易的制造成大体积的产品，且其储能效果较好，但是它的缺点在于导热率很低。美国的Lawrence Livermore国家实验室，和美国的金属改进公司进行联合研发，并成功制造出了能量较高、频率较高的钕玻璃激光冲击强化设备。

激光冲击强化的工艺具有能量较高、压力较强、效率极高、应变率超高四个明显的优势，激光冲击强化的工艺效果远远高于机械喷丸强化，其残余压应力层的厚度高达喷丸强化的四倍，但是由于其设备价格较高，对加工环境的要求很高，因此没有得到大规模的投入与使用。

（3）滚压强化。滚压强化工艺是指利用滚压工具施加一定的压力于材料的表面，在常温当中，使材料的表面发生可塑性的弹性形变，从而改变材料表层的结构组织、物理特性、机械性能等等。在大多数条件下，它能够代替材料的表面处理和加工，属于高精密强化加工技术的一种。利用滚压工具对材料表面进行加工时，受压面上会同时发生塑性形变和弹性形变。一旦滚压力大于材料屈服点时，材料表面的晶粒会发生位错甚至破碎，产生一个塑性形变；而表层之下的材料会受到一个弹性张力，即使在滚压工具离开后，也无法实现弹性形变的恢复。同时，材料的表面始终处于压应力的状态，而外层被引力牵引，此时表层因受到滚压而产生硬化和细化的晶粒，大大降低了零件的使用年限。

滚压加工技术的强化机制主要包括应变强化、应力强化以及精解强化。零件和滚压工具的接触面形成的几何关系会影响滚压强化效果，接触部位的弹性量也会对其产生一定的影响。适当的增加辊压力和滚压工具的面积，对残余压应力有一定的提高效果，但是接触区域的准确面积很难进行计算，因此滚压力和残余应力之间的状态也无法准确表达。

（4）磨削强化。应用磨削强化对材料表面进行处理，使磨削加工与表面强化相结合，以代替淬火的处理。在进行磨削强化的过程中，对零件处理时形成的巨大能量最终都转变成了热能，其中约有60%至95%的热能能够进入零件，从而使材料的表层发生轻微的变化、相变、塑性形变、裂纹细纹，和残余应力等等。

根据研究表明，感应淬火和激光淬火等热处理工艺能够被磨消强化技术所替代，完成对硬钢表面的强化处理，实现机床机械的全面加工处理。在对钢材进行磨削强化时，其材料表面的温度快速升高产生奥氏体化，借助砂轮磨粒或结合剂进行作用，使奥氏体晶粒产生变形，最后使机械快速冷却，产生马氏体相变，形成表面淬火效果。磨削强化机制是利用材料的热处理使相变强化，与上文所述的几种加工技术具有显著区别，磨削强化可以使用磨床，因此不需要另购设备。

4 结语

综上所述，随着社会经济的不断发展，对金属加工工艺的要求也逐渐提高。对于整个人类社会的生产生活来说，金属机械的加工制造产业始终占据重要的地位。因此，在实际情况当中，要对金属机械加工工艺进行深入研究和分析，使金属加工工艺能够不断革新和完善。