超聲噴丸技術及其應用

閆林林

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016）

實際應用中的很多金屬零件會發(fā)生疲勞斷裂，給設備的安全運行帶來了威脅，具有很大的危險性。開始人們采用機械噴丸產(chǎn)生殘余壓應力對金屬零件進行噴丸強化，但丸粒沖擊力大小有限，機械噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力的深度是有限的，且表面產(chǎn)生的凹痕比較深，這使得金屬表面相當粗糙，噴丸后的板材遠遠達不到工業(yè)生產(chǎn)及安全使用的要求。隨著超聲波應用的普及，科研人員認識到用超聲波的機械作用作用于材料表面可產(chǎn)生高幅沖擊載荷。這種機械振動沖擊載荷可對金屬表面進行快速有力的沖擊，這就是超聲波噴丸。超聲噴丸是當前非常流行的一種表面處理技術，它能使金屬表面產(chǎn)生更深的殘余壓應力層，使金屬零件的強度、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力［1］。

1 超聲噴丸技術國內外發(fā)展概述

超聲噴丸技術在美國和歐洲等國家的航空部門早已經(jīng)有了廣泛的應用及報道，目前國內在設備和相關工藝技術研究方面均剛起步。法國SONATS公司于1996年開始此項技術的研究，目前已開發(fā)出一套超聲噴丸及其相應的超聲波噴丸設備，并大量應用于航空航天、造船及汽車行業(yè)等［2］。圖1所示為南京航空航天大學自行研制成功的超聲噴丸裝置。超聲噴丸采用的噴丸介質除了采用鋼丸外，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。裝置的強化機理就是通過撞針對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，進而在零件表面產(chǎn)生殘余壓應力及納米層，并提高金屬零件硬度。

由于具備諸多優(yōu)點，超聲噴丸技術在美國和歐洲等國家的航空部門獲得了重要應用，包括A310-340和B707-777等大型飛機在內的機翼壁板零件的成形均采用噴丸成形技術。超聲噴丸在國外大飛機制造業(yè)中應用如下［3］：德國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)，并完全實現(xiàn)了整體壁板的CAD模型噴丸工藝幾何信息分析!成形過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；目前一些國家運用預應力噴丸成形技術制造超臨界機翼整體壁板。如加拿大NMF公司采用預應力噴丸技術為以色列Galaxy飛機制造的機翼帶筋整體壁板，美國MIC公司利用預應力噴丸成形制造A380機翼下壁板；在整體壁板焊接成形技術方面，德國KSA公司采用自動化噴丸成形技術實現(xiàn)了對A380激光焊接機身整體壁板的噴丸成形和校形。

國外N.R.Tao等人對純鐵退火處理后進行超聲噴丸，發(fā)現(xiàn)純鐵表面納米層最小晶粒細至10nm，并對晶粒細化的機制進行了探究。文獻［4］提出了金屬材料在超聲噴丸作用下，其表面殘余應力計算的理論模型。文獻［5］中Guagliano等人對噴丸對工件微裂紋擴展的阻礙作用進行了三維數(shù)值模擬。Ai.Hassani應用赫茲彈性理論和彈塑性模型，采用一維解析法對由噴丸產(chǎn)生的殘余應力進行了初步的預測。國內對超聲噴丸技術的研究工作剛剛起步，目前國內從事超聲噴丸技術研究工作的有北京航空制造工程研究所、西安飛機制造廠、南京航空航天大學、天津大學等單位。從文獻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這一項新技術的基本理論和沖擊強化成形中的關鍵技術進行了較為系統(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。中國科學院金屬研究所快速凝固非平衡合金國家重點實驗室與南京理工大學材料科學與工程系采用超聲噴丸技術在20鋼樣品上成功地制備出具有納米結構的表面層。在文獻［6］中，研究者采用普通噴丸與超聲噴丸兩種加工方法對7075-T651鋁合金進行處理，并比較兩種噴丸方式對7075-T651鋁合金的強化效果，對比結果表明7075-T651鋁合金經(jīng)超聲噴丸強化后比普通噴丸強化后效果要好的多。雖然國內一些相關單位已做了一定數(shù)量的研究，并積累了一定數(shù)量的研究成果，但一些關鍵問題還沒有得到解決，如金屬材料在超聲噴丸過程中的力學理論模型及動態(tài)響應、超聲噴丸參數(shù)對噴丸效果的影響、利用有限元分析軟件對超聲噴丸過程進行數(shù)值模擬時模型的精確建立等問題仍然值得探討。為了深入理解超聲噴丸機理及過程，普及超聲噴丸技術的應用，對以上各問題的研究也是必需的。

2 超聲噴丸技術特點

2.1 超聲噴丸強化技術特點

（1）超聲噴丸強化形成的硬化層深度要比機械噴丸強化形成的硬化層深。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)機械噴丸方式能產(chǎn)生更大的殘余壓應力。由圖4可見，超聲噴丸處理所形成的壓縮殘余應力最大值為-217.3 MPa，而普通噴丸形成的壓縮殘余應力最大值為-164.7 MPa，與普通噴丸相比，超聲噴丸形成的最大壓縮殘余應力增大了31.9%［6］。

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

（4）實現(xiàn)復雜形狀工件的強化。在汽車制造業(yè)，超聲噴丸強化主要用于螺旋彈簧、板簧、扭桿、齒輪、傳動元件、軸承、凸輪軸、曲軸、連桿等要害零件的強化處理。在航空制造業(yè)，噴丸強化技術主要用來提高機件的抗疲勞及耐應力腐蝕性能，在飛機制造中主要承力構件都采用了噴丸強化處理。

2.2 超聲噴丸成形技術特點

超聲噴丸成形技術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，具有很大的應用前景，與其他噴丸成形技術相比更有其獨特的優(yōu)勢：

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

（2）能實現(xiàn)工件復雜形狀的成形且成形曲率大。在超聲噴丸成形過程中，由超聲波轉化來的機械能產(chǎn)生的沖擊載荷壓力遠遠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比其他噴丸方式大。

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

（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產(chǎn)生的殘余壓應力是傳統(tǒng)噴丸及激光噴丸的數(shù)倍，可對板料起到更好的強化作用。

（5）無污染。機械噴丸成形需要在每次噴丸后對丸粒進行收集、清洗、分級以及破粒去除，而超聲噴丸成形是無污染制造技術，撞針材質是硬質合金鋼，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力發(fā)生應變而使板料發(fā)生的彎曲變形，成形工藝單一，而影響因素很復雜，目前尚需對超聲噴丸參數(shù)和板料成形量之間的定量關系和殘余應力場的有效控制以及其他一些相關問題進行深入研究，才能使該技術真正進入大規(guī)模的工程應用。

3 超聲噴丸技術應用前景

超聲噴丸技術作為快捷的先進制造技術，具有廣闊和潛在的應用前景：

（1）航空制造業(yè) 航空航天工業(yè)生產(chǎn)特點是產(chǎn)品型號更迭頻繁、零件形狀復雜、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，超聲噴丸技術恰好適應了這種要求。大型飛機中厚板大曲率成形在不降低其力學性能的前提下，采用機械噴丸方法是很難成形的。超聲噴丸成形技術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力，使中厚板成形容易實現(xiàn)，并能有效保證零件的使用性能。對大型板件的精密成形減少了焊接件和連接件的數(shù)量，從而實現(xiàn)飛機零部件的輕量化設計，故將對航空制造業(yè)產(chǎn)生重大影響。

（2）國防工業(yè) 導彈、火箭及核反應金屬罐容器等零部件在應用中除了要有精確的外形外，其表面要求很高的機械力學性能和表面質量。超聲噴丸能實現(xiàn)成形與強化復合加工，減少了加工工序，因而在國防產(chǎn)品加工中具有潛在優(yōu)勢。

（3）船舶和汽車制造業(yè) 超聲噴丸成形技術通過施加超聲波轉化的機械能在零件變形區(qū)形成相應的殘余壓應力，從而一個潛在的利用價值是對汽車發(fā)動機的驅動軸、壓桿等關鍵零件進行精密矯直。

超聲噴丸強化及成形技術的應用，必將使金屬材料表面處理行業(yè)開始一場具有重要意義的技術革命。相信不久的將來超聲噴丸技術必將會在航空航天、國防及汽車船舶等領域得到廣泛的應用和重視。

4 結語

超聲噴丸作為提高金屬表面綜合性能的加工技術，適用范圍廣，大多數(shù)金屬材料都能用超聲噴丸技術來提高硬度、耐磨性、疲勞強度等性能。超聲噴丸技術特有優(yōu)勢必將給傳統(tǒng)噴丸加工帶來巨大變革，同時將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟、社會效益。但影響超聲噴丸效果的因素極為復雜，制造技術和檢測手段還不先進，給精確控制其成形過程帶來很多困難。當前任務是根據(jù)實踐研究出能夠直接服務于工藝參數(shù)的理論模型及工程算法，以普及超聲噴丸應用領域。

［1］欒偉玲，涂善東.噴丸表面改性技術的研究進展［J］.中國機械工程，2005，16（15）：1405-1409.

［2］Inés Fernández Pariente，Mario Guagliano.About the role of residual stresses and surface work hardening on fatigue!Kth of a nitrided and shot peened low-alloy steel［J］.Surface&Coatings Technology，2008，202：3072-3080.

［3］曾元松.噴丸成形技術在民用飛機整體壁板研制中的應用［J］.航空制造技術，2008（1）：54-55.

［4］Andreza S.Franchim，Valdemir S.de Campos，Dilermando N.Travessa et al.Analytical modelling for residual stresses produced by shot peening［J］.Materials and Design，2009，30：1556-1560.

［5］Guagliano M.Relating Almen intensity to residual stresses induced by shot peening：a numerical approach.J Mater Proc Technol，2001，110：277-286.

［6］張新華，曾元松，王東坡，等.超聲噴丸強化7075-T651鋁合金表面性能研究［J］.航空制造技術.2008（13）：78-80，90.

［7］李國祥.噴丸成形［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982.