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上海矽諾國際貿(mào)易有限公司 2020-07-01 點擊4421次
噴丸技術是一種工業(yè)中常用的表面強化工藝，傳統(tǒng)噴丸技術的基本原理是利用發(fā)射裝置發(fā)射大量高速彈丸反復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)部應力從而發(fā)生改變的加工方法。其本質(zhì)是一種冷加工過程，目的是增強零件的耐磨性、抗疲勞性和耐腐蝕性。目前噴丸技術按具體用途可分為噴丸強化與噴丸成形兩種，因其設備成本低、操作簡便以及加工靈活，使其在機械制造行業(yè)得到了非常廣泛的應用，近幾年國內(nèi)外又誕生了很多噴丸技術的新方法和新設備，進一步拓寬了噴丸技術的應用領域和發(fā)展前景。
噴丸技術的發(fā)展
美國人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。該技術主要是用于金屬表面的除銹作業(yè)，并不能對材料進行成形及強化等加工。
美國洛克希德馬丁公司的Jim Boerger嘗試用機械裝置噴射鋼球，用來加工大型飛機整體機翼壁板，并且發(fā)現(xiàn)該方法相比傳統(tǒng)的鍛造技術可以強化諸如飛機機翼之類造型復雜的金屬部件，而不會造成零件過度變形。因此該技術很快在航空領域推廣開來，形成了現(xiàn)代傳統(tǒng)噴丸強化技術的雛形。
美國首先在“星座號”飛機上運用了噴丸成形技術，用于加工機翼的整體壁板。這說明噴丸技術不僅可以用于零件材料的局部強化，還可以直接用來對零件毛坯進行成形加工。這一技術終結了過去飛機制造中制造復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，而且還使得飛機的可靠性和極限載荷有所提升。為了解決飛機機翼整體壁板加工過程中無法提
供設計所需預應力的問題，美國人率先采用了預應力噴丸技術。該技術的原理是先用夾具在板坯上施加彈性應力，再對其進行噴丸成形。相比傳統(tǒng)的噴丸成形方法，預應力噴丸技術不僅克服了機翼內(nèi)加強筋等復雜結構所帶來的局部應力集中的問題，還
大幅提高了噴丸成形的成形極限。這一技術使得制造超臨界機翼、機身成為可能，一些超音速，甚至2~3倍音速的先進飛機開始進入人們的視野。
我國近年來開始了超臨界機翼整體壁板的噴丸成形技術實驗，并在國產(chǎn)大型戰(zhàn)略運輸機Y-20的研制過程中首次使用了整體噴丸成形技術。這使得我國成為世界上第一個掌握整體噴丸成形技術的國家。
噴丸強化技術
噴丸強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主要因素是外部載荷的周期性變化導致材料內(nèi)部裂紋的拓展，從而使零件發(fā)生疲勞斷裂。噴丸強化的原理是通過噴丸沖擊給材料內(nèi)部施加一個預應力，以抵消一部分外載荷，從而達到減小應力的周期性變化增加零件疲勞壽命的目的。噴丸強化的本質(zhì)仍然是鍛造工藝，只不過鍛造效率要比傳統(tǒng)鍛造工藝高，成本更低，也能夠鍛造一些復雜造型，靈活方便。噴丸強化大致分為一般噴丸和預應力噴丸兩種方法。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)部應力，從而抵消一部分外載荷，達到延長疲勞壽命的目的。后者是指材料在處理前，先用夾具對其施加一個相反的外載荷，產(chǎn)生相反的預應力，再對其進行噴丸處理，使預應力留在材料內(nèi)，從而大幅抵消外載荷，以達到延長疲勞壽命的目的。
辛立正[2]利用阿爾門測試法對試樣進行了大量對比實驗，指出增加介質(zhì)尺寸將產(chǎn)生較高的強度并且需要較長的噴丸時間。為達到飽和度，需要延長噴丸時間，因為當增加介質(zhì)尺寸，在給定的噴丸流速下，彈丸顆粒數(shù)將減少。當增加介質(zhì)硬度時，將產(chǎn)生較高的弧高值。在一個氣動系統(tǒng)中增加噴丸速度將減少達到飽和度需要的時間，速度越快，強度越高。彈丸流反跳角度越大，噴丸強度越高。噴射壓力越大，介質(zhì)尺寸越大，能達到的噴丸強度值就越高。因此在一定范圍內(nèi)噴丸時間越長，強化程度越高。
劉天琦等[3]從微觀角度具體分析了噴丸強化的機理。文中采用了一種強度高、韌性良好但疲勞強度對應力集中敏感的低合金超高強度結構鋼來進行實驗，通過電子顯微鏡來觀察噴丸前后試樣的晶粒排布變化，發(fā)現(xiàn)噴丸強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
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。由于大型飛機機翼壁板有重量限制及復雜的結構和較高的力學設計指標，不適合采用過時的分段鉚接技術，需要對機翼壁板進行一次性整體成形加工。研發(fā)新的模具和設備進行整體成形加工很顯然不切實際，利用噴丸技術進行整體噴丸成形加工便成為理想的選擇。李國祥[4]指出：噴丸成形的優(yōu)點在于它不需要成形模具，可以加工超大尺寸的零件，而且噴丸成形過后還能增加零件的疲勞強度，改善零件的整體力學性能；此外，噴丸成形還能構造一些結構復雜卻符合空氣動力學的零件造型，這些優(yōu)點使得其在航空制造領域有著非常廣泛的應用。
胡宗浩等[5]介紹了一種基于激光噴丸技術和蠕動時效成形方法的大型機翼壁板噴丸成形工藝。由于機翼壁板帶有大量加強筋，傳統(tǒng)成形工藝容易產(chǎn)生應力集中、變形不均、失穩(wěn)、扭曲和開裂等問題。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，可以對零件不同部位采取不同程度的精細加工，從而改善加強筋部位應力集中的現(xiàn)象。
繆偉[6]針對噴丸成形中都有哪些因素在影響噴丸成形效率這一問題進行了研究，他利用有限元分析的方法分析了有無加強筋、撞針速度和撞針直徑對噴丸成形效率的影響，最后通過對比理論數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)得出結論：有加強筋比無加強筋曲率變化大，在一定范圍內(nèi)撞針速度越快曲率半徑越小，撞針直徑越大曲率半徑越小。該研究對于改進噴丸方法，提高噴丸成形效率有著重要義。
新型噴丸技術
傳統(tǒng)噴丸技術主要是通過設備發(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。目前應用的比較多的是激光噴丸技術、超聲噴丸技術和高壓水噴丸技術。
激光噴丸技術
激光噴丸技術是利用激光束形成約為7 GPa的脈沖壓力照射并穿過零件表面，從而在零件內(nèi)部植入殘余壓應力，其目的是克服復雜造型帶來的殘余拉應力，其產(chǎn)生的殘余壓應力約為傳統(tǒng)噴丸的10.4倍。黃志偉等[7]指出這層殘余壓應力可根據(jù)零件的造型和失效方式來植入，這對于重量敏感的設計來說，將提高零件的負荷能力。徐曉等[8]指出激光噴丸技術可以將大型飛機的機翼壁板的抗拉強度提升大約61%。同時，激光噴丸對于類似半圓孔件這類容易疲勞損傷的零件有著比傳統(tǒng)噴丸更好的強化效果，章艷等[9]指出激光噴丸能大大降低疲勞裂紋的擴散速率，在置信度為95%時，激光噴丸后半圓孔件的疲勞壽命是未噴丸的2.8~7.2倍，遠遠好于傳統(tǒng)噴丸。但是，目前激光噴丸技術還處于實驗階段，在生產(chǎn)加工過程中更多的處于傳統(tǒng)噴丸技術的補充地位，
主要用于對普通熱處理工件所存在的瑕疵和軟點進行補充強化，無法取代目前傳統(tǒng)噴丸技術的主導地位，王銳坤等[10]佐證了這一觀點。目前激光噴丸的仿真工作已經(jīng)有不少學者進行了研究，但是其采用的近似方法不夠精確，與實驗數(shù)據(jù)仍有較大誤差，有待于提升改進。
超聲噴丸技術
超聲噴丸技術是利用高頻超聲波經(jīng)中間機構傳遞至加工終端(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，從而使受沖擊板材表層金屬材料產(chǎn)生設計所需的塑性變形和殘余應力分布。超聲噴丸的加工設備造價低廉，材料強化深度較深，產(chǎn)生的殘余應力值較大，而且還可以使得金屬材料表面獲得一層厚度達到幾十微米的納米層。王治業(yè)等[11]對7075-T651鋁合金進行超聲噴丸，所形成的殘余應力最大值為217.3 MPa，比普通噴丸增大了31.9%，而對321
不銹鋼進行超聲噴丸后，其表面形成了可提升其表面硬度及力學性能的約10 nm厚的納米層。基于此特點，喬廣艷等[12]論述了超聲噴丸在醫(yī)療領域應用的可能性，因為超聲噴丸在提高材料納米層級的表面質(zhì)量的同時還能提高零件大約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
高壓水噴丸技術是利用高壓水或氣穴無彈丸噴丸來對零件材料表面進行冷加工的表面硬化處理方法。董星等[13]在水射流噴丸強化的實驗研究中指出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。再之該技術的加工介質(zhì)與加工能源來源廣泛，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備價格昂貴的問題。這些優(yōu)勢使得高壓水噴丸近幾年在民間市場的推廣速度很快，應用前景十分廣泛。但是，曾元松等[14]指出高壓水對金屬具有一定腐蝕性，導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，由于其力學模型難以建立，有限元分析無法進行，這導致有關高壓水噴丸技術的相關理論研究相對稀缺，只能通過實際經(jīng)驗來總結提高其強化及成形效率的方法。
復合噴丸及再次噴丸
復合噴丸是指結合兩種或多種噴丸技術或其他加工技術的優(yōu)點，克服彼此的缺點，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性能的復合加工方法。例如楊湘男[15]介紹的一種基于棘突激光熔覆結合激光噴丸強化復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力的分布，還還能夠改善其表面粗糙度，達到延長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。隨著將來新型噴丸技術的不斷出現(xiàn)，復合噴丸技術的研究空間必然會進一步拓展。