超声喷丸技术及其应用

闫林林

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

实际应用中的很多金属零件会发生疲劳断裂，给设备的安全运行带来了威胁，具有很大的危险性。开始人们采用机械喷丸产生残余压应力对金属零件进行喷丸强化，但丸粒冲击力大小有限，机械喷丸产生的残余压应力的深度是有限的，且表面产生的凹痕比较深，这使得金属表面相当粗糙，喷丸后的板材远远达不到工业生产及安全使用的要求。随着超声波应用的普及，科研人员认识到用超声波的机械作用作用于材料表面可产生高幅冲击载荷。这种机械振动冲击载荷可对金属表面进行快速有力的冲击，这就是超声波喷丸。超声喷丸是当前非常流行的一种表面处理技术，它能使金属表面产生更深的残余压应力层，使金属零件的强度、耐腐蚀性和疲劳寿命得到明显提高。超声喷丸也可以精确成形金属板料，并使成形表面具有抵抗疲劳和裂纹侵蚀的残余压应力［1］。

1 超声喷丸技术国内外发展概述

超声喷丸技术在美国和欧洲等国家的航空部门早已经有了广泛的应用及报道，目前国内在设备和相关工艺技术研究方面均刚起步。法国SONATS公司于1996年开始此项技术的研究，目前已开发出一套超声喷丸及其相应的超声波喷丸设备，并大量应用于航空航天、造船及汽车行业等［2］。图1所示为南京航空航天大学自行研制成功的超声喷丸装置。超声喷丸采用的喷丸介质除了采用钢丸外，还可以使用工作端头具有不同曲率半径的撞针，如图2所示。装置的强化机理就是通过撞针对金属零件表面的冲击作用，促使金属零件表面产生塑性变形，进而在零件表面产生残余压应力及纳米层，并提高金属零件硬度。

由于具备诸多优点，超声喷丸技术在美国和欧洲等国家的航空部门获得了重要应用，包括A310-340和B707-777等大型飞机在内的机翼壁板零件的成形均采用喷丸成形技术。超声喷丸在国外大飞机制造业中应用如下［3］：德国KSA公司目前已拥有一套集CAD/CAE/CAM为一体的整体壁板喷丸成形工艺系统，并完全实现了整体壁板的CAD模型喷丸工艺几何信息分析!成形过程的有限元模拟和工艺参数的优化!完成壁板数控成形的一体化集成技术；目前一些国家运用预应力喷丸成形技术制造超临界机翼整体壁板。如加拿大NMF公司采用预应力喷丸技术为以色列Galaxy飞机制造的机翼带筋整体壁板，美国MIC公司利用预应力喷丸成形制造A380机翼下壁板；在整体壁板焊接成形技术方面，德国KSA公司采用自动化喷丸成形技术实现了对A380激光焊接机身整体壁板的喷丸成形和校形。

国外N.R.Tao等人对纯铁退火处理后进行超声喷丸，发现纯铁表面纳米层最小晶粒细至10nm，并对晶粒细化的机制进行了探究。文献［4］提出了金属材料在超声喷丸作用下，其表面残余应力计算的理论模型。文献［5］中Guagliano等人对喷丸对工件微裂纹扩展的阻碍作用进行了三维数值模拟。Ai.Hassani应用赫兹弹性理论和弹塑性模型，采用一维解析法对由喷丸产生的残余应力进行了初步的预测。国内对超声喷丸技术的研究工作刚刚起步，目前国内从事超声喷丸技术研究工作的有北京航空制造工程研究所、西安飞机制造厂、南京航空航天大学、天津大学等单位。从文献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单位至今已对这一项新技术的基本理论和冲击强化成形中的关键技术进行了较为系统的研究，例如超声喷丸冲击载荷加载下板料表层的塑性变形特性研究、超声喷丸成形数值模拟等。中国科学院金属研究所快速凝固非平衡合金国家重点实验室与南京理工大学材料科学与工程系采用超声喷丸技术在20钢样品上成功地制备出具有纳米结构的表面层。在文献［6］中，研究者采用普通喷丸与超声喷丸两种加工方法对7075-T651铝合金进行处理，并比较两种喷丸方式对7075-T651铝合金的强化效果，对比结果表明7075-T651铝合金经超声喷丸强化后比普通喷丸强化后效果要好的多。虽然国内一些相关单位已做了一定数量的研究，并积累了一定数量的研究成果，但一些关键问题还没有得到解决，如金属材料在超声喷丸过程中的力学理论模型及动态响应、超声喷丸参数对喷丸效果的影响、利用有限元分析软件对超声喷丸过程进行数值模拟时模型的精确建立等问题仍然值得探讨。为了深入理解超声喷丸机理及过程，普及超声喷丸技术的应用，对以上各问题的研究也是必需的。

2 超声喷丸技术特点

2.1 超声喷丸强化技术特点

（1）超声喷丸强化形成的硬化层深度要比机械喷丸强化形成的硬化层深。从图3可以看到，超声喷丸与普通喷丸相比，材料的表面硬化程度提高了12.7%［6］。

（2）超声喷丸比传统机械喷丸方式能产生更大的残余压应力。由图4可见，超声喷丸处理所形成的压缩残余应力最大值为-217.3 MPa，而普通喷丸形成的压缩残余应力最大值为-164.7 MPa，与普通喷丸相比，超声喷丸形成的最大压缩残余应力增大了31.9%［6］。

（3）超声喷丸会使材料表面产生厚度达几十微米的纳米层。超声喷丸过程中有多方向的机械载荷以很高的速度重复冲击材料表面，载荷会使材料表面产生位错，形成不规则排列的微晶。微晶形成的过程将会导致纳米层的形成。随着喷丸时间的增加，受喷材料表面逐渐产生纳米层，并且在一定时间范围内，材料表面纳米层的厚度随着喷丸时间的延长而增大。

（4）实现复杂形状工件的强化。在汽车制造业，超声喷丸强化主要用于螺旋弹簧、板簧、扭杆、齿轮、传动元件、轴承、凸轮轴、曲轴、连杆等要害零件的强化处理。在航空制造业，喷丸强化技术主要用来提高机件的抗疲劳及耐应力腐蚀性能，在飞机制造中主要承力构件都采用了喷丸强化处理。

2.2 超声喷丸成形技术特点

超声喷丸成形技术是利用撞针撞击金属板材的表面，使受撞击的表面及其下层金属材料产生塑性变形而延伸，从而逐步使板材发生向受喷面凸起的弯曲变形而达到所需外形的一种成形方法［7］。超声喷丸成形是一门崭新的技术，具有很大的应用前景，与其他喷丸成形技术相比更有其独特的优势：

（1）可实现较厚板材的成形。超声喷丸成形技术利用超声喷丸成形技术在厚度大于15 mm的厚板上也可成形类似的曲线，而传统机械喷丸成形则因板材太厚而不能有效成形。

（2）能实现工件复杂形状的成形且成形曲率大。在超声喷丸成形过程中，由超声波转化来的机械能产生的冲击载荷压力远远大于其他喷丸方式所产生的冲击载荷压力，因此超声喷丸成形的金属板料成形曲率远比其他喷丸方式大。

（3）操作简便易控制。在超声喷丸成形过程中，可以通过调整超声波发生器频率、更换磁头或撞针在材料表面的冲击次数来控制金属板料表面残余应力的大小和深度。

（4）成形后的材料综合性能较其他喷丸成形好。与其他喷丸成形相比，超声喷丸成形后板材表面光滑，粗糙度良好。另外超声喷丸成形时产生的残余压应力是传统喷丸及激光喷丸的数倍，可对板料起到更好的强化作用。

（5）无污染。机械喷丸成形需要在每次喷丸后对丸粒进行收集、清洗、分级以及破粒去除，而超声喷丸成形是无污染制造技术，撞针材质是硬质合金钢，不易发生破损，一般不需要清理。

由于超声喷丸成形是利用残余压应力发生应变而使板料发生的弯曲变形，成形工艺单一，而影响因素很复杂，目前尚需对超声喷丸参数和板料成形量之间的定量关系和残余应力场的有效控制以及其他一些相关问题进行深入研究，才能使该技术真正进入大规模的工程应用。

3 超声喷丸技术应用前景

超声喷丸技术作为快捷的先进制造技术，具有广阔和潜在的应用前景：

（1）航空制造业 航空航天工业生产特点是产品型号更迭频繁、零件形状复杂、精度及尺寸稳定性要求高、加工困难等，这就促使航空航天工业迫切需要高能的新加工方法，超声喷丸技术恰好适应了这种要求。大型飞机中厚板大曲率成形在不降低其力学性能的前提下，采用机械喷丸方法是很难成形的。超声喷丸成形技术由于能使工件表面产生比其他喷丸方式更大的残余压应力，使中厚板成形容易实现，并能有效保证零件的使用性能。对大型板件的精密成形减少了焊接件和连接件的数量，从而实现飞机零部件的轻量化设计，故将对航空制造业产生重大影响。

（2）国防工业 导弹、火箭及核反应金属罐容器等零部件在应用中除了要有精确的外形外，其表面要求很高的机械力学性能和表面质量。超声喷丸能实现成形与强化复合加工，减少了加工工序，因而在国防产品加工中具有潜在优势。

（3）船舶和汽车制造业 超声喷丸成形技术通过施加超声波转化的机械能在零件变形区形成相应的残余压应力，从而一个潜在的利用价值是对汽车发动机的驱动轴、压杆等关键零件进行精密矫直。

超声喷丸强化及成形技术的应用，必将使金属材料表面处理行业开始一场具有重要意义的技术革命。相信不久的将来超声喷丸技术必将会在航空航天、国防及汽车船舶等领域得到广泛的应用和重视。

4 结语

超声喷丸作为提高金属表面综合性能的加工技术，适用范围广，大多数金属材料都能用超声喷丸技术来提高硬度、耐磨性、疲劳强度等性能。超声喷丸技术特有优势必将给传统喷丸加工带来巨大变革，同时将产生更大的经济、社会效益。但影响超声喷丸效果的因素极为复杂，制造技术和检测手段还不先进，给精确控制其成形过程带来很多困难。当前任务是根据实践研究出能够直接服务于工艺参数的理论模型及工程算法，以普及超声喷丸应用领域。

［1］栾伟玲，涂善东.喷丸表面改性技术的研究进展［J］.中国机械工程，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.喷丸成形技术在民用飞机整体壁板研制中的应用［J］.航空制造技术，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］张新华，曾元松，王东坡，等.超声喷丸强化7075-T651铝合金表面性能研究［J］.航空制造技术.2008（13）：78-80，90.

［7］李国祥.喷丸成形［M］.北京：国防工业出版社，1982.