探討金屬機械加工制造工藝

巫亮云

（廣西華磊新材料有限公司動力廠，廣西 百色 531499）

隨著我國經濟社會的發展，科學技術水平不斷提高，其中，在金屬制造業方面也有一定程度上的發展。同時，也在不斷創新和改善金屬機械的加工技術方式以及管理模式等等。然而，在金屬機械加工的實際過程中，還存有一些問題，但社會的發展對金屬加工制造工藝的要求越來越嚴格。社會的生產發展離不開金屬加工制造業，因此，對于該工業存在的問題要進行深入分析和研究，不斷對金屬加工的工藝進行革新和完善，促使我國的機械加工水平不斷向前發展。

1 金屬機械加工工藝可靠性內容

（1）機械制造工藝可靠性背景。金屬機械加工制造包括金屬產品的方案規劃、工作設計與加工工作，以及完成后的檢測與維修工作，其是一個整體性的工程。對機械制造工藝的可靠性進行分析和研究，能夠保證金屬加工產品的質量，在完成全部加工任務之后，還能為該產品的售后與使用中出現的問題進行維護。對于制造工藝進行監督和管理，是制造工程順利完成的關鍵，也是一個十分重要的任務。在對金屬進行加工制造時，企業的管理水平高低，對其具有重要的影響。企業要保證科學和高效的管理水平，如此才能夠提高金屬加工生產的質量和效率。此外，金屬機械加工工藝的可靠性還受到社會的發展以及企業自身運營情況的影響。

（2）機械制造工藝可靠性新要求。當前我國的金屬加工制造工藝呈現專業化的趨勢，但是在推進機械制造工藝可靠性方面，還應當重視對于金屬加工工藝的設計方案，以及加工產品的質量等等。在實際加工過程當中，要重視公益的革新，并且保證加工工藝的可靠性。只有充分發揮金屬加工工藝的專業性以及科學性，才能保證金屬加工制造的可持續發展。同時，這一環節需要工作人員和研究人員進行密切的配合與溝通。對于金屬加工工藝的研究人員來說，其要具備一定的職業素養和高度的責任心，并且能夠充分發揮自己的專業技能，不斷為金屬加工工藝提供與時俱進的方案，促進新技術的研究，從而使金屬加工工藝能夠不斷地向前發展。

2 機械制造工藝可靠性研究要素分析

（1）生產工藝管理環節。機械制造業生產工藝的管理環節是整個機械產品制造過程中不可或缺的一部分，也是整個制造體系的核心所在。企業管理水平的高低，直接影響生產產品的質量，進行統一和科學的管理，能夠提高生產產品的質量和效率；反之，無序的管理則會導致生產的質量降低。

（2）產品可靠性檢測環節。金屬加工產品的可靠性檢測環節要在產品出廠之前進行。要及時檢測出不符合生產質量的產品，找出引發產品質量問題的因素，能夠從根本上提高生產產品的質量以及出廠的合格率。

（3）產品完工檢測環節。在機械制造工藝產品生產完成之后，還要對其進行一個全面的檢測，保證其達到合格要求。這個環節對于保證工藝可靠性具有重要的作用，需要檢測員根據產品檢驗標準進行認真負責的檢測，并對這些產品進行一個科學的評估。

3 金屬機械加工強化工藝及其裝備技術

（1）噴丸強化。噴丸強化是指利用彈丸在高速運動中的慣性，在完全控制的條件下，直接噴射到產品的表面，使材料的表面和次表面發生可塑性形變，從而使組織結構和應力得到強化，從而增加產品的使用年限。

利用噴丸工藝，在產品的表層構造一層強化面，這是由高密度的變形孿晶和位錯構成的。加工后的材料表層會形成形變的晶粒，這些晶粒大量存在于亞晶界，由強烈的塑性形變而導致較多的殘余壓應力產生于表層。因此，噴完強化是由多種不同的強化機制共同作用下完成的，其中起到主要強化作用機制的是位錯強化、殘余壓應力強化以及晶界強化。

傳統的噴丸強化機械主要包括離心式和氣動式的設備。近年來，除了這種傳統的噴丸強化設備之外，振動噴丸強化設備應運而生，并取得了飛速的發展。此外，噴丸的加工技術也發生了迭代更新，其中應用最廣泛的是超聲噴丸以及高壓水噴丸的技術。超聲噴丸技術的原理是借助超聲波促使彈丸發生震動，利用彈丸的驅動對材料進行加工處理。在使用噴丸技術時，要注意均勻性的問題，特別要關注零件邊緣的均勻，如果噴丸強化不均勻，則會造成邊界的損傷。噴丸加工起作用的一面主要在于拉伸面，對于壓縮面來說是不起任何作用的，而且噴完的加工處理不能保證整個零件表面都能接受同樣的處理，在加工過程當中，彈丸十分容易受損，而受損的彈丸進而會影響零件的表面質量，從而使材料表面得不到強化，有時甚至嚴重影響零件加工的質量。

（2）激光沖擊強化。噴丸強化的新工藝形式，還包括激光沖擊強化。但是這種形式存在其特殊性，所以本文將其劃為另一類進行探討。激光沖擊強化是指利用功率高脈沖短的強激光刺穿約束層，并將其作用在材料的表層上，材料的吸收層將這些能量吸收而發生汽化作用，蒸汽汽化時會快速吸收激光的能量，在形成等離子體之后會發生爆炸，而在約束層和金屬表層之間的等離子體壓力急速升高，形成一個強硬力波向零件的內部進行傳播，在此期間，其壓力值可高達GPa量級，遠遠高于材料的動態屈服強度，因此材料會發生嚴重的可塑性形變，零件表層的位錯密度快速升高，表面的精粒開始細化，粗糙度開始降低，產生一個較高的殘余壓應力，最終提高材料的使用年限。在激光沖擊強化中，主要應用的機制是位錯強化精、晶粒強化以及應力強化。

激光沖擊強化的參數包括以下幾個方面：激光的波長、功率的大小、材料表面的厚度和進行沖擊的方式等等。在這些參數當中，功率的大小對強化效果所造成的影響是最為直觀的。對被加工零件進行激光沖擊強化時，要使激光沖擊波的壓力值始終大于零件的動態屈服強度。在一般情況當中，沖擊波的壓力為材料動態屈服強度的1至2倍時，材料發生的塑性形變會隨著壓力值的增大而增強；當激光沖擊波壓力，正好為材料動態屈服強度的兩倍時，塑性形變達到飽和狀態；當激光沖擊波的壓力值大于2.5倍的材料動態屈服強度時，材料表面會釋放波聚焦，從而改變殘余應力場。因此，激光沖擊波的壓力值應當在2倍至2.5倍的材料動態屈服強度之間。類似的規律還存在于涂層與約束層厚度當中，其厚度會受到外界環境和激光參數等的影響。

激光沖擊強化的工藝已經投入到航空工業零件的生產中使用，能夠使機翼材料的整體形成塑性形變，對材料表面進行處理，使材料的質量、硬度以及殘余壓應力得到顯著提高，從而使材料的使用年限增加。激光沖擊強化工藝的主要影響因素是激光器。激光沖擊強化，根據激光器的工作介質，可以分為三種類型，其中釹玻璃激光器是發展最好、應用最廣泛的一種。釹玻璃材料的可塑性極強，能夠被加工成各種各樣的形體，并且其能夠較容易的制造成大體積的產品，且其儲能效果較好，但是它的缺點在于導熱率很低。美國的Lawrence Livermore國家實驗室，和美國的金屬改進公司進行聯合研發，并成功制造出了能量較高、頻率較高的釹玻璃激光沖擊強化設備。

激光沖擊強化的工藝具有能量較高、壓力較強、效率極高、應變率超高四個明顯的優勢，激光沖擊強化的工藝效果遠遠高于機械噴丸強化，其殘余壓應力層的厚度高達噴丸強化的四倍，但是由于其設備價格較高，對加工環境的要求很高，因此沒有得到大規模的投入與使用。

（3）滾壓強化。滾壓強化工藝是指利用滾壓工具施加一定的壓力于材料的表面，在常溫當中，使材料的表面發生可塑性的彈性形變，從而改變材料表層的結構組織、物理特性、機械性能等等。在大多數條件下，它能夠代替材料的表面處理和加工，屬于高精密強化加工技術的一種。利用滾壓工具對材料表面進行加工時，受壓面上會同時發生塑性形變和彈性形變。一旦滾壓力大于材料屈服點時，材料表面的晶粒會發生位錯甚至破碎，產生一個塑性形變；而表層之下的材料會受到一個彈性張力，即使在滾壓工具離開后，也無法實現彈性形變的恢復。同時，材料的表面始終處于壓應力的狀態，而外層被引力牽引，此時表層因受到滾壓而產生硬化和細化的晶粒，大大降低了零件的使用年限。

滾壓加工技術的強化機制主要包括應變強化、應力強化以及精解強化。零件和滾壓工具的接觸面形成的幾何關系會影響滾壓強化效果，接觸部位的彈性量也會對其產生一定的影響。適當的增加輥壓力和滾壓工具的面積，對殘余壓應力有一定的提高效果，但是接觸區域的準確面積很難進行計算，因此滾壓力和殘余應力之間的狀態也無法準確表達。

（4）磨削強化。應用磨削強化對材料表面進行處理，使磨削加工與表面強化相結合，以代替淬火的處理。在進行磨削強化的過程中，對零件處理時形成的巨大能量最終都轉變成了熱能，其中約有60%至95%的熱能能夠進入零件，從而使材料的表層發生輕微的變化、相變、塑性形變、裂紋細紋，和殘余應力等等。

根據研究表明，感應淬火和激光淬火等熱處理工藝能夠被磨消強化技術所替代，完成對硬鋼表面的強化處理，實現機床機械的全面加工處理。在對鋼材進行磨削強化時，其材料表面的溫度快速升高產生奧氏體化，借助砂輪磨粒或結合劑進行作用，使奧氏體晶粒產生變形，最后使機械快速冷卻，產生馬氏體相變，形成表面淬火效果。磨削強化機制是利用材料的熱處理使相變強化，與上文所述的幾種加工技術具有顯著區別，磨削強化可以使用磨床，因此不需要另購設備。

4 結語

綜上所述，隨著社會經濟的不斷發展，對金屬加工工藝的要求也逐漸提高。對于整個人類社會的生產生活來說，金屬機械的加工制造產業始終占據重要的地位。因此，在實際情況當中，要對金屬機械加工工藝進行深入研究和分析，使金屬加工工藝能夠不斷革新和完善。