噴丸技術的發展與展望

楊湘男

引言-進入21世紀后，國內外噴丸技術發展迅速，以激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸為代表的新方法、新技術相繼出現，使得噴丸技術的應用領域和范圍更加廣泛，不僅使用在傳統工業制造上，更廣泛使用在現代航空、航天等高精尖制造領域。

按照應用范圍可以分為噴丸成型和噴丸強化兩種工藝方法。噴丸強化是一種冷做加過程，用于在金屬表面產生壓縮殘留應力層和改進金屬的機械性能。 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，使其產生塑性變形。噴丸成形的基本原理是：利用高速彈丸（直徑1-6mm）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生塑性變形而延伸，從而逐步使板材發生向受噴面凸起的雙向彎曲變形。

一、噴丸技術發展

1.1噴丸工藝發展二十世紀之前：

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

1870年，本杰明.c.蒂爾曼發明了噴砂處理技術并在美國申請了專利。稍后同年英國也申請了這項專利。他利用空氣壓力，蒸汽以及水所產生的離心力將使砂子作用于表面處理。

1.2噴丸工藝發展二十世紀后期：

1.21國外發展情況

20世紀40年代初期美國洛克希德？馬丁公司的Jim？Boerger首先提出噴丸成形技術，使得噴丸技術不再局限于表面清理和強化，在隨后的研究中，噴丸成形技術得到了快速發展并成功應用到飛機整體壁板的成形。

美國首先在"星座號"飛機上運用噴丸成形方法制造機翼整體壁板，從20世紀50年代中期開始，噴丸成形技術成為民用軍用飛機機翼、機身等壁板類零件的主要成形手段。進入20世紀80年代，超臨界機翼成為飛機先進性重要標志，組成機翼的整體壁板出現了復雜馬鞍形和扭轉特點，而且帶筋結構明顯增多。對于此類零件傳統噴丸成形很難滿足其所需變形量，為此預應力噴丸成形技術得到重視。預應力噴丸成形是一種在成形前借助預應力夾具在板坯上施加彈性變形力，然后對其進行噴丸的成形方法。在相同條件下，預應力噴丸的成形極限是自由噴丸的2-3倍，同時預應力噴丸還可有效控制沿噴丸路線方向的附加彎曲變形，該技術的應用進一步推動了噴丸成形技術的發展。

1.2.2國內發展情況

國內噴丸技術研究相對于發達國家而言起步較晚，始于20世紀60年代末期，相關研究工作主要以北京某研究所、幾大主機廠和相關高校為主。多種型號的軍民用飛機在機翼機身整體壁板成形方面都采用了噴丸成形技術。20世紀90年代中期，航空工業和空客合作開展空客某項目研究，為解決超臨界機翼噴丸技術難題，國內開展了對超臨界機翼整體壁板預應力噴丸成形一系列相關技術研究，解決了國內預應力噴丸技術的諸多技術難題，填補了國內在超臨界機翼整體壁板預應力噴丸技術方面的空白。21世紀初期，國內開展某型號飛機超臨界機翼整體壁板預應力噴丸技術研究，該機機翼整體壁板無論是長度和厚度的尺寸，還是結構和外型的復雜程度，對當時國內噴丸技術而言，都是一個巨大的技術難題，相關參研單位不畏艱辛，打破國外技術壟斷和封鎖，于2006年成功實現了某型號飛機超臨界機翼整體壁板的噴丸成形，使中國成為世界上少數幾個可以自主開展超臨界機翼預應力噴丸成形技術的國家。雖然國內對噴丸工藝的改性及理論研究取得了一定進展，但對噴丸工藝參數系統控制的模擬研究比較薄弱，關鍵設備的研制投入較少，且自動化控制無法滿足工業應用要求，所以與國外還有較大差距。

二、新型噴丸技術

2.1激光噴丸

相比于傳統噴丸，激光噴丸形成的殘余壓應力層更深，其穩定性和一致性都更好，可使同一零部件上的不同區域達到不同的抗疲勞性能。它可以和其他強化技術配合使用，對普通熱處理工件存在的“軟點”補充強化。國外采用激光噴丸處理形成的殘余應力能達到材料抗拉強度的60%，而國內的激光噴丸工藝和設備僅限于試驗階段，缺乏相應的工藝和技術標準，激光器的峰值功率水平不高，控制和檢測技術也不成熟，這些都限制了激光噴丸工藝的應用和快速發展。

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備造價較低，在國內的應用領域較為廣闊，超聲噴丸強化形成的硬化層深度也比機械噴丸的深，能產生較大的殘余應力值，金屬材料表面獲得厚度達幾十微米的納米層。對7075.T651鋁合金超聲噴丸，所形成的壓縮殘余應力較大值為217.3MPa，比普通噴丸增大了31.9%。對321不銹鋼進行超聲噴丸后，其表層產生了厚約10nm的納米層，有利于提高表面硬度，改善表面性能。目前，超聲噴丸的實際應用取得了定的進步，且試驗性研究積累了一定的研究成果，但些關鍵的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響應、超聲噴丸參數對噴丸效果的影響和對噴丸過程進行模擬時模型的精確建立等問題。

2.3高壓水噴丸

對鋁合金、硅錳合金和碳鋼等進行高壓水噴丸或氣穴無彈丸噴丸，其疲勞強度比傳統噴丸強化提高了40%。該技術彌補了其他新型噴丸技術的設備昂貴等問題，水介質和動力源來源廣泛，能耗和成本低，生產效率高，應用前景廣闊。然而，目前對于高壓水噴丸技術相關的理論研究還不夠深入和完善，且在國內的研究較少。因此，進一步研究該技術的微觀作用機理，提高強化和成形的效率，加強設備研制是下步需要開展的工作。

2.4復合噴丸及再次噴丸

單一表面強化技術因其設備和條件的限制都有其特定的適用范圍，限制了實際應用范圍。復合噴丸強化技術通過協同效應可結合2種或者多種技術的優點，獲得更優異的效果。一種基于激光熔覆結合激光噴丸強化復合表面改性的方法和裝置可改善熔覆層殘余應力分布，降低表面粗糙度，提高其表面質量，延長使用壽命。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，國內外噴丸技術發展迅速，以激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸為代表的新方法、新技術相繼出現，使得噴丸技術的應用領域和范圍更加廣泛， 同時新型噴丸技術對設備要求高，特別是激光噴丸，價格昂貴，國內與國外研究相比還存在一定差距。在新型噴丸技術方面，雖然國內學者已經開展了激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸相關技術的研究，但是，許多方面仍處在機理探索及試驗階段，距離工程應用的要求還有很大差距，因此，必須加快國內在相關工藝技術研究，滿足國內航空航天制造領域對噴丸技術的多樣化需求與發展。

三、展望

我國在噴丸技術研究方面起步較晚，和國外發達國家相比，還有一定的差距。目前，國內先進大型數控噴丸設備均從國外引進，將會限制國內先進噴丸工藝技術的發展。因此，應整合高校、科研院所及相關企業資源，加大研究力度，自主開發先進大型數控噴丸設備，打破國外技術壟斷。