噴丸技術(shù)的發(fā)展與研究

供稿|鮮鵬，李軍 / XIAN Peng, LI Jun

內(nèi)容導(dǎo)讀

噴丸技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)金屬材料或具備一定塑性的非金屬材料的一種表面冷加工過(guò)程，是常用的表面強(qiáng)化工藝方法，目的是增強(qiáng)零件的耐磨性、抗疲勞性和耐腐蝕性。由于噴丸強(qiáng)化和噴丸成形設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)便以及加工靈活，因此在機(jī)械制造行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。文章介紹了噴丸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及噴丸強(qiáng)化與噴丸成形的原理和方法，分析比較了新型噴丸技術(shù)相比傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及激光噴丸、超聲噴丸、高壓水噴丸和復(fù)合噴丸等新型噴丸技術(shù)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。此外，還介紹了幾種主流的噴丸仿真分析方法。文章指出目前的噴丸仿真技術(shù)大多是針對(duì)傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的，雖然已經(jīng)十分接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但仍然存在不小的誤差，由于新型噴丸技術(shù)的出現(xiàn)，噴丸技術(shù)的仿真和理論研究空間也十分巨大。

噴丸技術(shù)是一種工業(yè)中常用的表面強(qiáng)化工藝，傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的基本原理是利用發(fā)射裝置發(fā)射大量高速?gòu)椡璺磸?fù)沖擊金屬材料或其他具備一定塑性的非金屬材料的表面，使其產(chǎn)生塑性變形或者內(nèi)部應(yīng)力從而發(fā)生改變的加工方法。其本質(zhì)是一種冷加工過(guò)程，目的是增強(qiáng)零件的耐磨性、抗疲勞性和耐腐蝕性。目前噴丸技術(shù)按具體用途可分為噴丸強(qiáng)化與噴丸成形兩種，因其設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)便以及加工靈活，使其在機(jī)械制造行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用，近幾年國(guó)內(nèi)外又誕生了很多噴丸技術(shù)的新方法和新設(shè)備，進(jìn)一步拓寬了噴丸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

噴丸技術(shù)的發(fā)展

美國(guó)人Benjamin·C·Tylman利用蒸汽壓力所產(chǎn)生的離心力，使沙子產(chǎn)生離心力作用于金屬材料表面，發(fā)明了歷史上最早的噴丸加工技術(shù)。該技術(shù)主要是用于金屬表面的除銹作業(yè)，并不能對(duì)材料進(jìn)行成形及強(qiáng)化等加工。

美國(guó)洛克希德馬丁公司的Jim Boerger嘗試用機(jī)械裝置噴射鋼球，用來(lái)加工大型飛機(jī)整體機(jī)翼壁板，并且發(fā)現(xiàn)該方法相比傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)可以強(qiáng)化諸如飛機(jī)機(jī)翼之類造型復(fù)雜的金屬部件，而不會(huì)造成零件過(guò)度變形。因此該技術(shù)很快在航空領(lǐng)域推廣開來(lái)，形成了現(xiàn)代傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化技術(shù)的雛形。

美國(guó)首先在“星座號(hào)”飛機(jī)上運(yùn)用了噴丸成形技術(shù)，用于加工機(jī)翼的整體壁板。這說(shuō)明噴丸技術(shù)不僅可以用于零件材料的局部強(qiáng)化，還可以直接用來(lái)對(duì)零件毛坯進(jìn)行成形加工。這一技術(shù)終結(jié)了過(guò)去飛機(jī)制造中制造復(fù)雜造型零件只能依賴鉚接和人工鍛打的歷史，不僅大幅提高了生產(chǎn)效率，而且還使得飛機(jī)的可靠性和極限載荷有所提升。

為了解決飛機(jī)機(jī)翼整體壁板加工過(guò)程中無(wú)法提供設(shè)計(jì)所需預(yù)應(yīng)力的問(wèn)題，美國(guó)人率先采用了預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)。該技術(shù)的原理是先用夾具在板坯上施加彈性應(yīng)力，再對(duì)其進(jìn)行噴丸成形。相比傳統(tǒng)的噴丸成形方法，預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)不僅克服了機(jī)翼內(nèi)加強(qiáng)筋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的局部應(yīng)力集中的問(wèn)題，還大幅提高了噴丸成形的成形極限。這一技術(shù)使得制造超臨界機(jī)翼、機(jī)身成為可能，一些超音速，甚至2~3倍音速的先進(jìn)飛機(jī)開始進(jìn)入人們的視野。

我國(guó)近年來(lái)開始了超臨界機(jī)翼整體壁板的噴丸成形技術(shù)實(shí)驗(yàn)，并在國(guó)產(chǎn)大型戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)Y-20的研制過(guò)程中首次使用了整體噴丸成形技術(shù)。這使得我國(guó)成為世界上第一個(gè)掌握整體噴丸成形技術(shù)的國(guó)家。

噴丸強(qiáng)化技術(shù)

噴丸強(qiáng)化的主要作用是增加零件的疲勞壽命。王建明等[1]指出影響疲勞壽命的一個(gè)主要因素是外部載荷的周期性變化導(dǎo)致材料內(nèi)部裂紋的拓展，從而使零件發(fā)生疲勞斷裂。噴丸強(qiáng)化的原理是通過(guò)噴丸沖擊給材料內(nèi)部施加一個(gè)預(yù)應(yīng)力，以抵消一部分外載荷，從而達(dá)到減小應(yīng)力的周期性變化增加零件疲勞壽命的目的。噴丸強(qiáng)化的本質(zhì)仍然是鍛造工藝，只不過(guò)鍛造效率要比傳統(tǒng)鍛造工藝高，成本更低，也能夠鍛造一些復(fù)雜造型，靈活方便。

噴丸強(qiáng)化大致分為一般噴丸和預(yù)應(yīng)力噴丸兩種方法。前者是指材料在自由狀態(tài)下，用噴丸打擊處理，使之產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，從而抵消一部分外載荷，達(dá)到延長(zhǎng)疲勞壽命的目的。后者是指材料在處理前，先用夾具對(duì)其施加一個(gè)相反的外載荷，產(chǎn)生相反的預(yù)應(yīng)力，再對(duì)其進(jìn)行噴丸處理，使預(yù)應(yīng)力留在材料內(nèi)，從而大幅抵消外載荷，以達(dá)到延長(zhǎng)疲勞壽命的目的。

辛立正[2]利用阿爾門測(cè)試法對(duì)試樣進(jìn)行了大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，指出增加介質(zhì)尺寸將產(chǎn)生較高的強(qiáng)度并且需要較長(zhǎng)的噴丸時(shí)間。為達(dá)到飽和度，需要延長(zhǎng)噴丸時(shí)間，因?yàn)楫?dāng)增加介質(zhì)尺寸，在給定的噴丸流速下，彈丸顆粒數(shù)將減少。當(dāng)增加介質(zhì)硬度時(shí)，將產(chǎn)生較高的弧高值。在一個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中增加噴丸速度將減少達(dá)到飽和度需要的時(shí)間，速度越快，強(qiáng)度越高。彈丸流反跳角度越大，噴丸強(qiáng)度越高。噴射壓力越大，介質(zhì)尺寸越大，能達(dá)到的噴丸強(qiáng)度值就越高。因此在一定范圍內(nèi)噴丸時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)化程度越高。

劉天琦等[3]從微觀角度具體分析了噴丸強(qiáng)化的機(jī)理。文中采用了一種強(qiáng)度高、韌性良好但疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中敏感的低合金超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)電子顯微鏡來(lái)觀察噴丸前后試樣的晶粒排布變化，發(fā)現(xiàn)噴丸強(qiáng)化能使鋼表面組織晶粒發(fā)生塑性變形，晶格發(fā)生畸變，出現(xiàn)了馬氏體“有效晶?！爆F(xiàn)象，從而使得材料的疲勞抗性提高。

噴丸成形技術(shù)

噴丸成形的原理是利用噴丸打擊使材料發(fā)生屈服變形，從而改變材料形狀的成形工藝。由于大型飛機(jī)機(jī)翼壁板有重量限制及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)，不適合采用過(guò)時(shí)的分段鉚接技術(shù)，需要對(duì)機(jī)翼壁板進(jìn)行一次性整體成形加工。研發(fā)新的模具和設(shè)備進(jìn)行整體成形加工很顯然不切實(shí)際，利用噴丸技術(shù)進(jìn)行整體噴丸成形加工便成為理想的選擇。李國(guó)祥[4]指出：噴丸成形的優(yōu)點(diǎn)在于它不需要成形模具，可以加工超大尺寸的零件，而且噴丸成形過(guò)后還能增加零件的疲勞強(qiáng)度，改善零件的整體力學(xué)性能；此外，噴丸成形還能構(gòu)造一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜卻符合空氣動(dòng)力學(xué)的零件造型，這些優(yōu)點(diǎn)使得其在航空制造領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

胡宗浩等[5]介紹了一種基于激光噴丸技術(shù)和蠕動(dòng)時(shí)效成形方法的大型機(jī)翼壁板噴丸成形工藝。由于機(jī)翼壁板帶有大量加強(qiáng)筋，傳統(tǒng)成形工藝容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、變形不均、失穩(wěn)、扭曲和開裂等問(wèn)題。噴丸成形則與傳統(tǒng)的拉伸成形不同，它是一種小曲率成形工藝，可以對(duì)零件不同部位采取不同程度的精細(xì)加工，從而改善加強(qiáng)筋部位應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

繆偉[6]針對(duì)噴丸成形中都有哪些因素在影響噴丸成形效率這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，他利用有限元分析的方法分析了有無(wú)加強(qiáng)筋、撞針?biāo)俣群妥册樦睆綄?duì)噴丸成形效率的影響，最后通過(guò)對(duì)比理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：有加強(qiáng)筋比無(wú)加強(qiáng)筋曲率變化大，在一定范圍內(nèi)撞針?biāo)俣仍娇烨拾霃皆叫?，撞針直徑越大曲率半徑越小。該研究?duì)于改進(jìn)噴丸方法，提高噴丸成形效率有著重要意義。

新型噴丸技術(shù)

傳統(tǒng)噴丸技術(shù)主要是通過(guò)設(shè)備發(fā)射鋼丸、鑄鐵丸、玻璃丸和陶瓷丸等沖擊材料表面，近幾年出現(xiàn)的新型噴丸技術(shù)則利用了截然不同的沖擊原理，產(chǎn)生了更好的加工效果。目前應(yīng)用的比較多的是激光噴丸技術(shù)、超聲噴丸技術(shù)和高壓水噴丸技術(shù)。

激光噴丸技術(shù)

激光噴丸技術(shù)是利用激光束形成約為7 GPa的脈沖壓力照射并穿過(guò)零件表面，從而在零件內(nèi)部植入殘余壓應(yīng)力，其目的是克服復(fù)雜造型帶來(lái)的殘余拉應(yīng)力，其產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力約為傳統(tǒng)噴丸的10.4倍。黃志偉等[7]指出這層殘余壓應(yīng)力可根據(jù)零件的造型和失效方式來(lái)植入，這對(duì)于重量敏感的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，將提高零件的負(fù)荷能力。徐曉等[8]指出激光噴丸技術(shù)可以將大型飛機(jī)的機(jī)翼壁板的抗拉強(qiáng)度提升大約61%。同時(shí)，激光噴丸對(duì)于類似半圓孔件這類容易疲勞損傷的零件有著比傳統(tǒng)噴丸更好的強(qiáng)化效果，章艷等[9]指出激光噴丸能大大降低疲勞裂紋的擴(kuò)散速率，在置信度為95%時(shí)，激光噴丸后半圓孔件的疲勞壽命是未噴丸的2.8~7.2倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)噴丸。但是，目前激光噴丸技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，在生產(chǎn)加工過(guò)程中更多的處于傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的補(bǔ)充地位，主要用于對(duì)普通熱處理工件所存在的瑕疵和軟點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化，無(wú)法取代目前傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的主導(dǎo)地位，王銳坤等[10]佐證了這一觀點(diǎn)。目前激光噴丸的仿真工作已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，但是其采用的近似方法不夠精確，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍有較大誤差，有待于提升改進(jìn)。

超聲噴丸技術(shù)

超聲噴丸技術(shù)是利用高頻超聲波經(jīng)中間機(jī)構(gòu)傳遞至加工終端(多為撞針)，作用于板材表面，產(chǎn)生巨大沖擊載荷，致使金屬表層晶粒破碎、晶格及高密度位錯(cuò)，從而使受沖擊板材表層金屬材料產(chǎn)生設(shè)計(jì)所需的塑性變形和殘余應(yīng)力分布。超聲噴丸的加工設(shè)備造價(jià)低廉，材料強(qiáng)化深度較深，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力值較大，而且還可以使得金屬材料表面獲得一層厚度達(dá)到幾十微米的納米層。王治業(yè)等[11]對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行超聲噴丸，所形成的殘余應(yīng)力最大值為217.3 MPa，比普通噴丸增大了31.9%，而對(duì)321不銹鋼進(jìn)行超聲噴丸后，其表面形成了可提升其表面硬度及力學(xué)性能的約10 nm厚的納米層?；诖颂攸c(diǎn)，喬廣艷等[12]論述了超聲噴丸在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，因?yàn)槌晣娡柙谔岣卟牧霞{米層級(jí)的表面質(zhì)量的同時(shí)還能提高零件大約50%的抗腐蝕和抗疲勞性。與激光噴丸的效果相比，超聲噴丸的強(qiáng)化厚度是其10倍，硬度是其1.4倍。雖然超聲噴丸是由撞針進(jìn)行噴丸，但是由于沖擊原理和加工效果與傳統(tǒng)噴丸有很大不同，所以其仿真分析需要重新建立模型，目前研究仍存在很大空白。

高壓水噴丸技術(shù)

高壓水噴丸技術(shù)是利用高壓水或氣穴無(wú)彈丸噴丸來(lái)對(duì)零件材料表面進(jìn)行冷加工的表面硬化處理方法。董星等[13]在水射流噴丸強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)研究中指出2A11鋁合金和45鋼噴丸疲勞試樣比未噴丸疲勞的疲勞壽命分別提高1.74和2.67倍。再之該技術(shù)的加工介質(zhì)與加工能源來(lái)源廣泛，能耗和成本都很低，而且生產(chǎn)效率也有所提高，從而解決了其他特種噴丸設(shè)備價(jià)格昂貴的問(wèn)題。這些優(yōu)勢(shì)使得高壓水噴丸近幾年在民間市場(chǎng)的推廣速度很快，應(yīng)用前景十分廣泛。但是，曾元松等[14]指出高壓水對(duì)金屬具有一定腐蝕性，導(dǎo)致其目前只能用于加工鋁合金等耐腐蝕的金屬材料，后續(xù)可以考慮采用高壓油或其他非腐蝕性液體代替高壓水。另外，由于其力學(xué)模型難以建立，有限元分析無(wú)法進(jìn)行，這導(dǎo)致有關(guān)高壓水噴丸技術(shù)的相關(guān)理論研究相對(duì)稀缺，只能通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)總結(jié)提高其強(qiáng)化及成形效率的方法。

復(fù)合噴丸及再次噴丸

復(fù)合噴丸是指結(jié)合兩種或多種噴丸技術(shù)或其他加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服彼此的缺點(diǎn)，從而使得被加工的零件獲得比僅使用一種噴丸加工方法更好的力學(xué)性能的復(fù)合加工方法。例如楊湘男[15]介紹的一種基于棘突激光熔覆結(jié)合激光噴丸強(qiáng)化復(fù)合表面改性的方法和裝置，其不僅能夠改善熔覆層殘余拉應(yīng)力的分布，還還能夠改善其表面粗糙度，達(dá)到延長(zhǎng)零件使用壽命的目的，合適的再次噴丸周期還可以將材料的疲勞壽命提高70%以上。隨著將來(lái)新型噴丸技術(shù)的不斷出現(xiàn)，復(fù)合噴丸技術(shù)的研究空間必然會(huì)進(jìn)一步拓展。

噴丸技術(shù)的仿真分析

為了更好的理解噴丸加工對(duì)材料內(nèi)部的影響，以及對(duì)噴丸加工結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，科研人員利用有限元分析的方法對(duì)噴丸產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬。但是，由于噴丸的分布和沖擊是不規(guī)律的，建立模型較為困難，于是楊詩(shī)婷等[16]想到先研究單個(gè)噴丸的強(qiáng)化過(guò)程，其對(duì)單個(gè)彈丸撞擊316L不銹鋼引起的變形場(chǎng)的研究當(dāng)中采用了一種基于單個(gè)噴丸對(duì)材料影響的研究，從而推算出整體強(qiáng)化作用。盛湘飛等[17]則將無(wú)規(guī)律的噴丸散布粗略視為正態(tài)分布，并在此基礎(chǔ)上加以研究，對(duì)于基于正態(tài)分布的噴丸表面覆蓋均勻程度與強(qiáng)化效率的研究當(dāng)中就采用了這種近似算法，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到的結(jié)果誤差約為1.7%，證實(shí)了這種方法的可行性。Miao[18]等則進(jìn)一步推導(dǎo)出了求解應(yīng)力的近似公式：

除了對(duì)傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的仿真分析以外，嚴(yán)俐婉等[19]對(duì)激光噴丸過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。因?yàn)榧す鈬娡鑿?qiáng)化是一個(gè)高度非線性的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)事件，為了得到穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)，需要將應(yīng)用顯示動(dòng)態(tài)算法得到的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ABAQUS/standard進(jìn)行靜態(tài)回彈分析，釋放顯示動(dòng)態(tài)分析后材料內(nèi)部的彈性應(yīng)變，計(jì)算材料內(nèi)部的平衡狀態(tài)，進(jìn)而得到穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場(chǎng)。

目前的噴丸仿真技術(shù)大多是針對(duì)傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的，雖然已經(jīng)十分接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但仍然存在不小的誤差。梁若等[20]指出噴丸仿真技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向主要分為兩個(gè)：一是追求仿真分析和實(shí)際噴丸過(guò)程盡可能接近；其二是對(duì)殘余應(yīng)力以外的表面完整性參數(shù)進(jìn)行研究。而且隨著新型噴丸技術(shù)的出現(xiàn)，以往的評(píng)價(jià)指標(biāo)和研究方法已經(jīng)行不通了，這時(shí)就需要尋找新的研究方法。

結(jié)束語(yǔ)

噴丸加工與成形技術(shù)在航空領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。噴丸強(qiáng)化能夠顯著改善零件的疲勞強(qiáng)度和表面粗糙度，噴丸成形能夠快速加工成形復(fù)雜曲面，并通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力的方法克服曲面材料的內(nèi)部原有的應(yīng)力，顯著提高零件的強(qiáng)度和承受重載的能力，從而提高飛機(jī)的可靠性。當(dāng)然，噴丸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不僅限于航空領(lǐng)域，未來(lái)出現(xiàn)的超大型噴丸設(shè)備和微型噴丸設(shè)備還將應(yīng)用于船舶以及醫(yī)療器械的加工與成形當(dāng)中，應(yīng)用前景十分廣泛。由于新型噴丸技術(shù)的出現(xiàn)，噴丸技術(shù)的仿真和理論研究空間也十分巨大。

攝影 劉繼鳴