噴丸技術(shù)的發(fā)展與展望

楊湘男

引言-進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)外噴丸技術(shù)發(fā)展迅速，以激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸為代表的新方法、新技術(shù)相繼出現(xiàn)，使得噴丸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍更加廣泛，不僅使用在傳統(tǒng)工業(yè)制造上，更廣泛使用在現(xiàn)代航空、航天等高精尖制造領(lǐng)域。

按照應(yīng)用范圍可以分為噴丸成型和噴丸強(qiáng)化兩種工藝方法。噴丸強(qiáng)化是一種冷做加過(guò)程，用于在金屬表面產(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力層和改進(jìn)金屬的機(jī)械性能。 它需要用帶有充足力量的彈丸（鋼丸，玻璃丸，陶瓷丸等）去撞擊零件表面，使其產(chǎn)生塑性變形。噴丸成形的基本原理是：利用高速?gòu)椡瑁ㄖ睆?-6mm）流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?chē)娒嫱蛊鸬碾p向彎曲變形。

一、噴丸技術(shù)發(fā)展

1.1噴丸工藝發(fā)展二十世紀(jì)之前：

眾所周知，在中國(guó)古代，機(jī)械加工已被很好的廣泛應(yīng)用金屬材料的生產(chǎn)制造。很明顯，錘擊是最原始的機(jī)械加工方法，用于金屬部件的成型與增加強(qiáng)度也就是噴丸工藝的早期雛形。

1870年，本杰明.c.蒂爾曼發(fā)明了噴砂處理技術(shù)并在美國(guó)申請(qǐng)了專(zhuān)利。稍后同年英國(guó)也申請(qǐng)了這項(xiàng)專(zhuān)利。他利用空氣壓力，蒸汽以及水所產(chǎn)生的離心力將使砂子作用于表面處理。

1.2噴丸工藝發(fā)展二十世紀(jì)后期：

1.21國(guó)外發(fā)展情況

20世紀(jì)40年代初期美國(guó)洛克希德？馬丁公司的Jim？Boerger首先提出噴丸成形技術(shù)，使得噴丸技術(shù)不再局限于表面清理和強(qiáng)化，在隨后的研究中，噴丸成形技術(shù)得到了快速發(fā)展并成功應(yīng)用到飛機(jī)整體壁板的成形。

美國(guó)首先在"星座號(hào)"飛機(jī)上運(yùn)用噴丸成形方法制造機(jī)翼整體壁板，從20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始，噴丸成形技術(shù)成為民用軍用飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等壁板類(lèi)零件的主要成形手段。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，超臨界機(jī)翼成為飛機(jī)先進(jìn)性重要標(biāo)志，組成機(jī)翼的整體壁板出現(xiàn)了復(fù)雜馬鞍形和扭轉(zhuǎn)特點(diǎn)，而且?guī)Ы罱Y(jié)構(gòu)明顯增多。對(duì)于此類(lèi)零件傳統(tǒng)噴丸成形很難滿足其所需變形量，為此預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)得到重視。預(yù)應(yīng)力噴丸成形是一種在成形前借助預(yù)應(yīng)力夾具在板坯上施加彈性變形力，然后對(duì)其進(jìn)行噴丸的成形方法。在相同條件下，預(yù)應(yīng)力噴丸的成形極限是自由噴丸的2-3倍，同時(shí)預(yù)應(yīng)力噴丸還可有效控制沿噴丸路線方向的附加彎曲變形，該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了噴丸成形技術(shù)的發(fā)展。

1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)噴丸技術(shù)研究相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言起步較晚，始于20世紀(jì)60年代末期，相關(guān)研究工作主要以北京某研究所、幾大主機(jī)廠和相關(guān)高校為主。多種型號(hào)的軍民用飛機(jī)在機(jī)翼機(jī)身整體壁板成形方面都采用了噴丸成形技術(shù)。20世紀(jì)90年代中期，航空工業(yè)和空客合作開(kāi)展空客某項(xiàng)目研究，為解決超臨界機(jī)翼噴丸技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了對(duì)超臨界機(jī)翼整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸成形一系列相關(guān)技術(shù)研究，解決了國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)的諸多技術(shù)難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在超臨界機(jī)翼整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)方面的空白。21世紀(jì)初期，國(guó)內(nèi)開(kāi)展某型號(hào)飛機(jī)超臨界機(jī)翼整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)研究，該機(jī)機(jī)翼整體壁板無(wú)論是長(zhǎng)度和厚度的尺寸，還是結(jié)構(gòu)和外型的復(fù)雜程度，對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)噴丸技術(shù)而言，都是一個(gè)巨大的技術(shù)難題，相關(guān)參研單位不畏艱辛，打破國(guó)外技術(shù)壟斷和封鎖，于2006年成功實(shí)現(xiàn)了某型號(hào)飛機(jī)超臨界機(jī)翼整體壁板的噴丸成形，使中國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)可以自主開(kāi)展超臨界機(jī)翼預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)的國(guó)家。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)噴丸工藝的改性及理論研究取得了一定進(jìn)展，但對(duì)噴丸工藝參數(shù)系統(tǒng)控制的模擬研究比較薄弱，關(guān)鍵設(shè)備的研制投入較少，且自動(dòng)化控制無(wú)法滿足工業(yè)應(yīng)用要求，所以與國(guó)外還有較大差距。

二、新型噴丸技術(shù)

2.1激光噴丸

相比于傳統(tǒng)噴丸，激光噴丸形成的殘余壓應(yīng)力層更深，其穩(wěn)定性和一致性都更好，可使同一零部件上的不同區(qū)域達(dá)到不同的抗疲勞性能。它可以和其他強(qiáng)化技術(shù)配合使用，對(duì)普通熱處理工件存在的“軟點(diǎn)”補(bǔ)充強(qiáng)化。國(guó)外采用激光噴丸處理形成的殘余應(yīng)力能達(dá)到材料抗拉強(qiáng)度的60%，而國(guó)內(nèi)的激光噴丸工藝和設(shè)備僅限于試驗(yàn)階段，缺乏相應(yīng)的工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，激光器的峰值功率水平不高，控制和檢測(cè)技術(shù)也不成熟，這些都限制了激光噴丸工藝的應(yīng)用和快速發(fā)展。

2.2超聲噴丸

相比激光噴丸，超聲噴丸因超聲波的普及及其設(shè)備造價(jià)較低，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣闊，超聲噴丸強(qiáng)化形成的硬化層深度也比機(jī)械噴丸的深，能產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力值，金屬材料表面獲得厚度達(dá)幾十微米的納米層。對(duì)7075.T651鋁合金超聲噴丸，所形成的壓縮殘余應(yīng)力較大值為217.3MPa，比普通噴丸增大了31.9%。對(duì)321不銹鋼進(jìn)行超聲噴丸后，其表層產(chǎn)生了厚約10nm的納米層，有利于提高表面硬度，改善表面性能。目前，超聲噴丸的實(shí)際應(yīng)用取得了定的進(jìn)步，且試驗(yàn)性研究積累了一定的研究成果，但些關(guān)鍵的問(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)噴丸效果的影響和對(duì)噴丸過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)模型的精確建立等問(wèn)題。

2.3高壓水噴丸

對(duì)鋁合金、硅錳合金和碳鋼等進(jìn)行高壓水噴丸或氣穴無(wú)彈丸噴丸，其疲勞強(qiáng)度比傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化提高了40%。該技術(shù)彌補(bǔ)了其他新型噴丸技術(shù)的設(shè)備昂貴等問(wèn)題，水介質(zhì)和動(dòng)力源來(lái)源廣泛，能耗和成本低，生產(chǎn)效率高，應(yīng)用前景廣闊。然而，目前對(duì)于高壓水噴丸技術(shù)相關(guān)的理論研究還不夠深入和完善，且在國(guó)內(nèi)的研究較少。因此，進(jìn)一步研究該技術(shù)的微觀作用機(jī)理，提高強(qiáng)化和成形的效率，加強(qiáng)設(shè)備研制是下步需要開(kāi)展的工作。

2.4復(fù)合噴丸及再次噴丸

單一表面強(qiáng)化技術(shù)因其設(shè)備和條件的限制都有其特定的適用范圍，限制了實(shí)際應(yīng)用范圍。復(fù)合噴丸強(qiáng)化技術(shù)通過(guò)協(xié)同效應(yīng)可結(jié)合2種或者多種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，獲得更優(yōu)異的效果。一種基于激光熔覆結(jié)合激光噴丸強(qiáng)化復(fù)合表面改性的方法和裝置可改善熔覆層殘余應(yīng)力分布，降低表面粗糙度，提高其表面質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命。合適的再次噴丸周期可使金屬的總疲勞服役壽命提高70%以上。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外噴丸技術(shù)發(fā)展迅速，以激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸為代表的新方法、新技術(shù)相繼出現(xiàn)，使得噴丸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍更加廣泛， 同時(shí)新型噴丸技術(shù)對(duì)設(shè)備要求高，特別是激光噴丸，價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)與國(guó)外研究相比還存在一定差距。在新型噴丸技術(shù)方面，雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸相關(guān)技術(shù)的研究，但是，許多方面仍處在機(jī)理探索及試驗(yàn)階段，距離工程應(yīng)用的要求還有很大差距，因此，必須加快國(guó)內(nèi)在相關(guān)工藝技術(shù)研究，滿足國(guó)內(nèi)航空航天制造領(lǐng)域?qū)娡杓夹g(shù)的多樣化需求與發(fā)展。

三、展望

我國(guó)在噴丸技術(shù)研究方面起步較晚，和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定的差距。目前，國(guó)內(nèi)先進(jìn)大型數(shù)控噴丸設(shè)備均從國(guó)外引進(jìn)，將會(huì)限制國(guó)內(nèi)先進(jìn)噴丸工藝技術(shù)的發(fā)展。因此，應(yīng)整合高校、科研院所及相關(guān)企業(yè)資源，加大研究力度，自主開(kāi)發(fā)先進(jìn)大型數(shù)控噴丸設(shè)備，打破國(guó)外技術(shù)壟斷。