淺析機械制造中的強化機理和工藝

李志碩

摘 要：機械加工的工藝逐漸提高，零件的加工強化機理和加工技術也不斷變化，不斷改進。本文在分析機械加工強化機理的基礎上，論述各類機械加工藝技術研究進展和加工強化的高科技技術。本研究對于機械加工強化工藝有重要意義。

關鍵詞：機械加工 強化機理 工藝技術

一、機械加工強化機理

1.晶界強化。晶界強化就是在晶體表面加入微量其他元素，晶界阻礙滑移，使得晶界出現堆積現象，這種堆積能夠集中應力抵抗變形。另外，晶界處兩種形變的不相容，能夠促進滑移，集中應力，使得鋼的蠕變極限改變，達到強化的目的。但是因為在高溫條件下，原子獲得能量后變得活躍，而晶體的構造原本就不規律。另外，還有金屬內還有很多晶體缺陷，所以當在較高的溫度下改變形狀的時候很容易出現問題。而且在對多晶材料進行強化時，晶界會在一定程度上阻礙位錯作用，改變材料的整體強度。總的來說，晶界強化能夠改善晶體的性質，但是容易引起問題的方面也需要注意。

2.位錯強化。位錯強化是現在對金屬材料進行加工方法中最有效的加工方法，材料加工塑性過程中，元素位錯運動改變了材料的密度，繼而使得位錯運動收到阻礙，金屬堆積又改變了金屬的硬度。位錯運動也受到溫度的影響，不同性質的金屬材料所受溫度的影響不同，當溫度低于材料的臨界溫度時，錯位作用和對錯位運動的阻礙會隨著溫度升高而降低和減弱，而實際溫度高于臨界溫度時，溫度升高使得阻礙作用非常低，但流變應力不變。所以進行材料加工之前要對材料進行臨界溫度進行測量，防止高溫破壞材料的強度。

3.取向強化。在常見的多晶體材料中，晶粒的取向是無規律的，是任意排布的，當加工時對這些不規則的晶粒進行選擇，使得一般晶粒圍繞著特殊的晶粒按照一定規則進行取向的排布，從而達到對材料的強化目的。加工后的材料一般會有序的進行滑移，使得材料表面金屬密集，提高金屬的強度和硬度。

4.應變強化。應變硬化就是在低于金屬結晶的溫度環境下，當金屬的形狀改變的時候，利用錯位，以降低材料的韌性和塑性為代價，來提升材料的強度和硬度。在經過了屈服階段后，材料的硬度會大大增加。硬化機制隨著應變程度不同而變化，抵抗應力持續增加，使得其自身硬度上升。單晶體的硬化在初始階段很低，其硬化的速度和晶體的構造緊密相關。隨著加工硬化的持續，硬化速度持續增高，應變量與硬化的速度呈線性相關，但是跟晶體的結構關系不大，在最后階段，其硬化速度降低，受溫度和形變的影響也較小。這樣的材料在加工變性的時候，硬度會減弱，而韌性會提高。故而這種零件工作時實際溫度不能高于結晶溫度。

二、工藝技術研究進展

1.降低初始誤差。降低原始誤差對于加工所用的機床的要求越來越高，只有更精確的機床才能精確地打造出需要的零件，降低最初始的誤差，提高機床的幾何精度才能降低原始誤差。除此之外，加工時零件所受的外力和熱力變化也是影響誤差的因素，控制好這些影響誤差的因素，使之減少對零件加工過程中的影響。對于精密儀器的零件的加工，要確保數據的精確，最大程度提高機床的幾何精度，保證零件誤差達到最低。

2.降低誤差的總和。想要降低加工零件的誤差，就要減少加工步驟中各個地方的誤差。加工步驟和方法不同，造成的誤差不同，要想減少這些誤差，除了補償和減少原始誤差，還可以細化誤差。對不同的零件分門別類，調整機床，確定不同的加工精度，使用不同的加工方法，爭取降低各種零件的誤差總和。通過對不同零件之間的差異和共同點進行分析和研究，找出減小誤差的方法，降低誤差總和。

3.人為補償誤差。該工藝是通過人工產生一種新的誤差，然后對其進行補償和改進，從而抵消原有的誤差。有時候機器的精度不夠，需要增加誤差然后出去多余的誤差，達到降低誤差的目的。

三、機械加工強化的高科技技術

1.噴丸強化。噴丸強化能夠有效提高零件的抗疲勞程度，增加零件的使用壽命。噴丸強化是在完全控制材料的條件下，對材料噴射高速彈丸，使材料結構發生塑性變形，直至達到理想狀態的結構，提高硬度和使用壽命。噴丸技術在機械加工領域應用廣泛，尤其適合加工那些腐蝕較為嚴重的零件。目前噴丸強化的種類有很多，主要區別是噴出的彈丸的不同和噴出彈丸的角度不同。早期的噴丸強化技術現在已經淘汰了，現在常用的噴丸強化技術有超聲波噴丸和高壓水噴丸。針對超聲波噴丸技術，需要注意噴丸的環境需要保證是真空環境，這樣能夠讓彈丸在超聲波的促進下快速進行融合強化。正因為其強化速度快，噴丸要均勻，不均勻的噴丸會使零件強化不均勻，破壞零件的強度。

2.激光沖擊強化。利用激光沖擊進行強化的技術可以看成噴丸強化技術的一種新的工藝形式，但是其強化設備和各種參數與噴丸強化技術有著本質的區別。激光沖擊強化技術是將激光定位發射，經過透明約束層后，最終照射到金屬材料表面，使得激光中的能量被金屬表面的吸收層吸收，吸收層獲得能量后化為蒸汽，蒸汽在吸收能量變為離子等物質的作用下產生爆炸，爆炸使得壓力瞬間增大，刺激零件內部產生應力，這種應力的壓力使得材料變形，零件表面的位錯密度驟增，同時生成高額的殘余壓應力。經過這一系列過程變化，零件的硬度和使用壽命都會大大提高。但是由于設備比較昂貴，現在還沒法像噴丸強化技術那樣普遍。

四、結語

在機械加工的過程中，要不斷進步，爭取各方面都降低無法去除的誤差，還要不斷鉆研新的技術和機器，爭取制造出精度更高的車床。

參考文獻：

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[3]張唐善.機械加工強化機理與工藝技術初探[J].建筑技術開發，2016