楊湘男

引言-進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(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(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力層和改進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)生塑性變形而延伸，從而逐步使板材發(fā)生向受噴面凸起的雙向彎曲變形。

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，在中國古代，機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(fā)明了噴砂處理技術(shù)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(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國外發(fā)展情況

20世紀(jì)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(shù)，使得噴丸技術(shù)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(shù)得到了快速發(fā)展并成功應(yīng)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(jì)50年代中期開始，噴丸成形技術(shù)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(jìn)入20世紀(jì)80年代，超臨界機翼成為飛機先進(jìn)性重要標(biāo)志，組成機翼的整體壁板出現(xiàn)了復(fù)雜馬鞍形和扭轉(zhuǎn)特點，而且?guī)Ы罱Y(jié)構(gòu)明顯增多。對于此類零件傳統(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)一步推動了噴丸成形技術(shù)的發(fā)展。

1.2.2國內(nèi)發(fā)展情況

國內(nèi)噴丸技術(shù)研究相對于發(fā)達(dá)國家而言起步較晚，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、幾大主機廠和相關(guān)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(shù)。20世紀(jì)90年代中期，航空工業(yè)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(shù)難題，國內(nèi)開展了對超臨界機翼整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸成形一系列相關(guān)技術(shù)研究，解決了國內(nèi)預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)的諸多技術(shù)難題，填補了國內(nèi)在超臨界機翼整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)方面的空白。21世紀(jì)初期，國內(nèi)開展某型號飛機超臨界機翼整體壁板預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)研究，該機機翼整體壁板無論是長度和厚度的尺寸，還是結(jié)構(gòu)和外型的復(fù)雜程度，對當(dāng)時國內(nèi)噴丸技術(shù)而言，都是一個巨大的技術(shù)難題，相關(guān)參研單位不畏艱辛，打破國外技術(shù)壟斷和封鎖，于2006年成功實現(xiàn)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(shù)幾個可以自主開展超臨界機翼預(yù)應(yīng)力噴丸成形技術(shù)的國家。雖然國內(nèi)對噴丸工藝的改性及理論研究取得了一定進(jìn)展，但對噴丸工藝參數(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，且自動化控制無法滿足工業(yè)應(yīng)用要求，所以與國外還有較大差距。

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。它可以和其他強化技術(shù)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(yīng)力能達(dá)到材料抗拉強度的60%，而國內(nèi)的激光噴丸工藝和設(shè)備僅限于試驗階段，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)備造價較低，在國內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)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(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，超聲噴丸的實際應(yīng)用取得了定的進(jìn)步，且試驗性研究積累了一定的研究成果，但些關(guān)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(xué)理論模型及動態(tài)響應(yīng)、超聲噴丸參數(shù)對噴丸效果的影響和對噴丸過程進(jìn)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(jìn)行高壓水噴丸或氣穴無彈丸噴丸，其疲勞強度比傳統(tǒng)噴丸強化提高了40%。該技術(shù)彌補了其他新型噴丸技術(shù)的設(shè)備昂貴等問題，水介質(zhì)和動力源來源廣泛，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)的微觀作用機理，提高強化和成形的效率，加強設(shè)備研制是下步需要開展的工作。

2.4復(fù)合噴丸及再次噴丸

單一表面強化技術(shù)因其設(shè)備和條件的限制都有其特定的適用范圍，限制了實際應(yīng)用范圍。復(fù)合噴丸強化技術(shù)通過協(xié)同效應(yīng)可結(jié)合2種或者多種技術(shù)的優(yōu)點，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(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， 同時新型噴丸技術(shù)對設(shè)備要求高，特別是激光噴丸，價格昂貴，國內(nèi)與國外研究相比還存在一定差距。在新型噴丸技術(shù)方面，雖然國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開展了激光噴丸、超聲噴丸及高壓水噴丸相關(guān)技術(shù)的研究，但是，許多方面仍處在機理探索及試驗階段，距離工程應(yīng)用的要求還有很大差距，因此，必須加快國內(nèi)在相關(guān)工藝技術(shù)研究，滿足國內(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

我國在噴丸技術(shù)研究方面起步較晚，和國外發(fā)達(dá)國家相比，還有一定的差距。目前，國內(nèi)先進(jìn)大型數(shù)控噴丸設(shè)備均從國外引進(jìn)，將會限制國內(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，自主開發(fā)先進(jìn)大型數(shù)控噴丸設(shè)備，打破國外技術(shù)壟斷。