超聲噴丸技術(shù)及其應(yīng)用

閆林林

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

實(shí)際應(yīng)用中的很多金屬零件會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)了威脅，具有很大的危險(xiǎn)性。開(kāi)始人們采用機(jī)械噴丸產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對(duì)金屬零件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，但丸粒沖擊力大小有限，機(jī)械噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力的深度是有限的，且表面產(chǎn)生的凹痕比較深，這使得金屬表面相當(dāng)粗糙，噴丸后的板材遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)及安全使用的要求。隨著超聲波應(yīng)用的普及，科研人員認(rèn)識(shí)到用超聲波的機(jī)械作用作用于材料表面可產(chǎn)生高幅沖擊載荷。這種機(jī)械振動(dòng)沖擊載荷可對(duì)金屬表面進(jìn)行快速有力的沖擊，這就是超聲波噴丸。超聲噴丸是當(dāng)前非常流行的一種表面處理技術(shù)，它能使金屬表面產(chǎn)生更深的殘余壓應(yīng)力層，使金屬零件的強(qiáng)度、耐腐蝕性和疲勞壽命得到明顯提高。超聲噴丸也可以精確成形金屬板料，并使成形表面具有抵抗疲勞和裂紋侵蝕的殘余壓應(yīng)力［1］。

1 超聲噴丸技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概述

超聲噴丸技術(shù)在美國(guó)和歐洲等國(guó)家的航空部門早已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用及報(bào)道，目前國(guó)內(nèi)在設(shè)備和相關(guān)工藝技術(shù)研究方面均剛起步。法國(guó)SONATS公司于1996年開(kāi)始此項(xiàng)技術(shù)的研究，目前已開(kāi)發(fā)出一套超聲噴丸及其相應(yīng)的超聲波噴丸設(shè)備，并大量應(yīng)用于航空航天、造船及汽車行業(yè)等［2］。圖1所示為南京航空航天大學(xué)自行研制成功的超聲噴丸裝置。超聲噴丸采用的噴丸介質(zhì)除了采用鋼丸外，還可以使用工作端頭具有不同曲率半徑的撞針，如圖2所示。裝置的強(qiáng)化機(jī)理就是通過(guò)撞針對(duì)金屬零件表面的沖擊作用，促使金屬零件表面產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而在零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力及納米層，并提高金屬零件硬度。

由于具備諸多優(yōu)點(diǎn)，超聲噴丸技術(shù)在美國(guó)和歐洲等國(guó)家的航空部門獲得了重要應(yīng)用，包括A310-340和B707-777等大型飛機(jī)在內(nèi)的機(jī)翼壁板零件的成形均采用噴丸成形技術(shù)。超聲噴丸在國(guó)外大飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用如下［3］：德國(guó)KSA公司目前已擁有一套集CAD/CAE/CAM為一體的整體壁板噴丸成形工藝系統(tǒng)，并完全實(shí)現(xiàn)了整體壁板的CAD模型噴丸工藝幾何信息分析!成形過(guò)程的有限元模擬和工藝參數(shù)的優(yōu)化!完成壁板數(shù)控成形的一體化集成技術(shù)；目前一些國(guó)家運(yùn)用預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)制造超臨界機(jī)翼整體壁板。如加拿大NMF公司采用預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)為以色列Galaxy飛機(jī)制造的機(jī)翼帶筋整體壁板，美國(guó)MIC公司利用預(yù)應(yīng)力噴丸成形制造A380機(jī)翼下壁板；在整體壁板焊接成形技術(shù)方面，德國(guó)KSA公司采用自動(dòng)化噴丸成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)A380激光焊接機(jī)身整體壁板的噴丸成形和校形。

國(guó)外N.R.Tao等人對(duì)純鐵退火處理后進(jìn)行超聲噴丸，發(fā)現(xiàn)純鐵表面納米層最小晶粒細(xì)至10nm，并對(duì)晶粒細(xì)化的機(jī)制進(jìn)行了探究。文獻(xiàn)［4］提出了金屬材料在超聲噴丸作用下，其表面殘余應(yīng)力計(jì)算的理論模型。文獻(xiàn)［5］中Guagliano等人對(duì)噴丸對(duì)工件微裂紋擴(kuò)展的阻礙作用進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。Ai.Hassani應(yīng)用赫茲彈性理論和彈塑性模型，采用一維解析法對(duì)由噴丸產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行了初步的預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)對(duì)超聲噴丸技術(shù)的研究工作剛剛起步，目前國(guó)內(nèi)從事超聲噴丸技術(shù)研究工作的有北京航空制造工程研究所、西安飛機(jī)制造廠、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)等單位。從文獻(xiàn)上了解到北京航空制造工程研究所，北京航空材料研究院等單位至今已對(duì)這一項(xiàng)新技術(shù)的基本理論和沖擊強(qiáng)化成形中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，例如超聲噴丸沖擊載荷加載下板料表層的塑性變形特性研究、超聲噴丸成形數(shù)值模擬等。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所快速凝固非平衡合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系采用超聲噴丸技術(shù)在20鋼樣品上成功地制備出具有納米結(jié)構(gòu)的表面層。在文獻(xiàn)［6］中，研究者采用普通噴丸與超聲噴丸兩種加工方法對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行處理，并比較兩種噴丸方式對(duì)7075-T651鋁合金的強(qiáng)化效果，對(duì)比結(jié)果表明7075-T651鋁合金經(jīng)超聲噴丸強(qiáng)化后比普通噴丸強(qiáng)化后效果要好的多。雖然國(guó)內(nèi)一些相關(guān)單位已做了一定數(shù)量的研究，并積累了一定數(shù)量的研究成果，但一些關(guān)鍵問(wèn)題還沒(méi)有得到解決，如金屬材料在超聲噴丸過(guò)程中的力學(xué)理論模型及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、超聲噴丸參數(shù)對(duì)噴丸效果的影響、利用有限元分析軟件對(duì)超聲噴丸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)模型的精確建立等問(wèn)題仍然值得探討。為了深入理解超聲噴丸機(jī)理及過(guò)程，普及超聲噴丸技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)以上各問(wèn)題的研究也是必需的。

2 超聲噴丸技術(shù)特點(diǎn)

2.1 超聲噴丸強(qiáng)化技術(shù)特點(diǎn)

（1）超聲噴丸強(qiáng)化形成的硬化層深度要比機(jī)械噴丸強(qiáng)化形成的硬化層深。從圖3可以看到，超聲噴丸與普通噴丸相比，材料的表面硬化程度提高了12.7%［6］。

（2）超聲噴丸比傳統(tǒng)機(jī)械噴丸方式能產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力。由圖4可見(jiàn)，超聲噴丸處理所形成的壓縮殘余應(yīng)力最大值為-217.3 MPa，而普通噴丸形成的壓縮殘余應(yīng)力最大值為-164.7 MPa，與普通噴丸相比，超聲噴丸形成的最大壓縮殘余應(yīng)力增大了31.9%［6］。

（3）超聲噴丸會(huì)使材料表面產(chǎn)生厚度達(dá)幾十微米的納米層。超聲噴丸過(guò)程中有多方向的機(jī)械載荷以很高的速度重復(fù)沖擊材料表面，載荷會(huì)使材料表面產(chǎn)生位錯(cuò)，形成不規(guī)則排列的微晶。微晶形成的過(guò)程將會(huì)導(dǎo)致納米層的形成。隨著噴丸時(shí)間的增加，受噴材料表面逐漸產(chǎn)生納米層，并且在一定時(shí)間范圍內(nèi)，材料表面納米層的厚度隨著噴丸時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

（4）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的強(qiáng)化。在汽車制造業(yè)，超聲噴丸強(qiáng)化主要用于螺旋彈簧、板簧、扭桿、齒輪、傳動(dòng)元件、軸承、凸輪軸、曲軸、連桿等要害零件的強(qiáng)化處理。在航空制造業(yè)，噴丸強(qiáng)化技術(shù)主要用來(lái)提高機(jī)件的抗疲勞及耐應(yīng)力腐蝕性能，在飛機(jī)制造中主要承力構(gòu)件都采用了噴丸強(qiáng)化處理。

2.2 超聲噴丸成形技術(shù)特點(diǎn)

超聲噴丸成形技術(shù)是利用撞針撞擊金屬板材的表面，使受撞擊的表面及其下層金屬材料產(chǎn)生塑性變形而延伸，從而逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的彎曲變形而達(dá)到所需外形的一種成形方法［7］。超聲噴丸成形是一門嶄新的技術(shù)，具有很大的應(yīng)用前景，與其他噴丸成形技術(shù)相比更有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）可實(shí)現(xiàn)較厚板材的成形。超聲噴丸成形技術(shù)利用超聲噴丸成形技術(shù)在厚度大于15 mm的厚板上也可成形類似的曲線，而傳統(tǒng)機(jī)械噴丸成形則因板材太厚而不能有效成形。

（2）能實(shí)現(xiàn)工件復(fù)雜形狀的成形且成形曲率大。在超聲噴丸成形過(guò)程中，由超聲波轉(zhuǎn)化來(lái)的機(jī)械能產(chǎn)生的沖擊載荷壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他噴丸方式所產(chǎn)生的沖擊載荷壓力，因此超聲噴丸成形的金屬板料成形曲率遠(yuǎn)比其他噴丸方式大。

（3）操作簡(jiǎn)便易控制。在超聲噴丸成形過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)整超聲波發(fā)生器頻率、更換磁頭或撞針在材料表面的沖擊次數(shù)來(lái)控制金屬板料表面殘余應(yīng)力的大小和深度。

（4）成形后的材料綜合性能較其他噴丸成形好。與其他噴丸成形相比，超聲噴丸成形后板材表面光滑，粗糙度良好。另外超聲噴丸成形時(shí)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力是傳統(tǒng)噴丸及激光噴丸的數(shù)倍，可對(duì)板料起到更好的強(qiáng)化作用。

（5）無(wú)污染。機(jī)械噴丸成形需要在每次噴丸后對(duì)丸粒進(jìn)行收集、清洗、分級(jí)以及破粒去除，而超聲噴丸成形是無(wú)污染制造技術(shù)，撞針材質(zhì)是硬質(zhì)合金鋼，不易發(fā)生破損，一般不需要清理。

由于超聲噴丸成形是利用殘余壓應(yīng)力發(fā)生應(yīng)變而使板料發(fā)生的彎曲變形，成形工藝單一，而影響因素很復(fù)雜，目前尚需對(duì)超聲噴丸參數(shù)和板料成形量之間的定量關(guān)系和殘余應(yīng)力場(chǎng)的有效控制以及其他一些相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，才能使該技術(shù)真正進(jìn)入大規(guī)模的工程應(yīng)用。

3 超聲噴丸技術(shù)應(yīng)用前景

超聲噴丸技術(shù)作為快捷的先進(jìn)制造技術(shù)，具有廣闊和潛在的應(yīng)用前景：

（1）航空制造業(yè) 航空航天工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)是產(chǎn)品型號(hào)更迭頻繁、零件形狀復(fù)雜、精度及尺寸穩(wěn)定性要求高、加工困難等，這就促使航空航天工業(yè)迫切需要高能的新加工方法，超聲噴丸技術(shù)恰好適應(yīng)了這種要求。大型飛機(jī)中厚板大曲率成形在不降低其力學(xué)性能的前提下，采用機(jī)械噴丸方法是很難成形的。超聲噴丸成形技術(shù)由于能使工件表面產(chǎn)生比其他噴丸方式更大的殘余壓應(yīng)力，使中厚板成形容易實(shí)現(xiàn)，并能有效保證零件的使用性能。對(duì)大型板件的精密成形減少了焊接件和連接件的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件的輕量化設(shè)計(jì)，故將對(duì)航空制造業(yè)產(chǎn)生重大影響。

（2）國(guó)防工業(yè) 導(dǎo)彈、火箭及核反應(yīng)金屬罐容器等零部件在應(yīng)用中除了要有精確的外形外，其表面要求很高的機(jī)械力學(xué)性能和表面質(zhì)量。超聲噴丸能實(shí)現(xiàn)成形與強(qiáng)化復(fù)合加工，減少了加工工序，因而在國(guó)防產(chǎn)品加工中具有潛在優(yōu)勢(shì)。

（3）船舶和汽車制造業(yè) 超聲噴丸成形技術(shù)通過(guò)施加超聲波轉(zhuǎn)化的機(jī)械能在零件變形區(qū)形成相應(yīng)的殘余壓應(yīng)力，從而一個(gè)潛在的利用價(jià)值是對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸、壓桿等關(guān)鍵零件進(jìn)行精密矯直。

超聲噴丸強(qiáng)化及成形技術(shù)的應(yīng)用，必將使金屬材料表面處理行業(yè)開(kāi)始一場(chǎng)具有重要意義的技術(shù)革命。相信不久的將來(lái)超聲噴丸技術(shù)必將會(huì)在航空航天、國(guó)防及汽車船舶等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和重視。

4 結(jié)語(yǔ)

超聲噴丸作為提高金屬表面綜合性能的加工技術(shù)，適用范圍廣，大多數(shù)金屬材料都能用超聲噴丸技術(shù)來(lái)提高硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能。超聲噴丸技術(shù)特有優(yōu)勢(shì)必將給傳統(tǒng)噴丸加工帶來(lái)巨大變革，同時(shí)將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。但影響超聲噴丸效果的因素極為復(fù)雜，制造技術(shù)和檢測(cè)手段還不先進(jìn)，給精確控制其成形過(guò)程帶來(lái)很多困難。當(dāng)前任務(wù)是根據(jù)實(shí)踐研究出能夠直接服務(wù)于工藝參數(shù)的理論模型及工程算法，以普及超聲噴丸應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］欒偉玲，涂善東.噴丸表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（15）：1405-1409.

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［7］李國(guó)祥.噴丸成形［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982.