喷丸技术的发展与展望

杨湘男

引言-进入21世纪后，国内外喷丸技术发展迅速，以激光喷丸、超声喷丸及高压水喷丸为代表的新方法、新技术相继出现，使得喷丸技术的应用领域和范围更加广泛，不仅使用在传统工业制造上，更广泛使用在现代航空、航天等高精尖制造领域。

按照应用范围可以分为喷丸成型和喷丸强化两种工艺方法。喷丸强化是一种冷做加过程，用于在金属表面产生压缩残留应力层和改进金属的机械性能。 它需要用带有充足力量的弹丸（钢丸，玻璃丸，陶瓷丸等）去撞击零件表面，使其产生塑性变形。喷丸成形的基本原理是：利用高速弹丸（直径1-6mm）流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双向弯曲变形。

一、喷丸技术发展

1.1喷丸工艺发展二十世纪之前：

众所周知，在中国古代，机械加工已被很好的广泛应用金属材料的生产制造。很明显，锤击是最原始的机械加工方法，用于金属部件的成型与增加强度也就是喷丸工艺的早期雏形。

1870年，本杰明.c.蒂尔曼发明了喷砂处理技术并在美国申请了专利。稍后同年英国也申请了这项专利。他利用空气压力，蒸汽以及水所产生的离心力将使砂子作用于表面处理。

1.2喷丸工艺发展二十世纪后期：

1.21国外发展情况

20世纪40年代初期美国洛克希德？马丁公司的Jim？Boerger首先提出喷丸成形技术，使得喷丸技术不再局限于表面清理和强化，在随后的研究中，喷丸成形技术得到了快速发展并成功应用到飞机整体壁板的成形。

美国首先在"星座号"飞机上运用喷丸成形方法制造机翼整体壁板，从20世纪50年代中期开始，喷丸成形技术成为民用军用飞机机翼、机身等壁板类零件的主要成形手段。进入20世纪80年代，超临界机翼成为飞机先进性重要标志，组成机翼的整体壁板出现了复杂马鞍形和扭转特点，而且带筋结构明显增多。对于此类零件传统喷丸成形很难满足其所需变形量，为此预应力喷丸成形技术得到重视。预应力喷丸成形是一种在成形前借助预应力夹具在板坯上施加弹性变形力，然后对其进行喷丸的成形方法。在相同条件下，预应力喷丸的成形极限是自由喷丸的2-3倍，同时预应力喷丸还可有效控制沿喷丸路线方向的附加弯曲变形，该技术的应用进一步推动了喷丸成形技术的发展。

1.2.2国内发展情况

国内喷丸技术研究相对于发达国家而言起步较晚，始于20世纪60年代末期，相关研究工作主要以北京某研究所、几大主机厂和相关高校为主。多种型号的军民用飞机在机翼机身整体壁板成形方面都采用了喷丸成形技术。20世纪90年代中期，航空工业和空客合作开展空客某项目研究，为解决超临界机翼喷丸技术难题，国内开展了对超临界机翼整体壁板预应力喷丸成形一系列相关技术研究，解决了国内预应力喷丸技术的诸多技术难题，填补了国内在超临界机翼整体壁板预应力喷丸技术方面的空白。21世纪初期，国内开展某型号飞机超临界机翼整体壁板预应力喷丸技术研究，该机机翼整体壁板无论是长度和厚度的尺寸，还是结构和外型的复杂程度，对当时国内喷丸技术而言，都是一个巨大的技术难题，相关参研单位不畏艰辛，打破国外技术垄断和封锁，于2006年成功实现了某型号飞机超临界机翼整体壁板的喷丸成形，使中国成为世界上少数几个可以自主开展超临界机翼预应力喷丸成形技术的国家。虽然国内对喷丸工艺的改性及理论研究取得了一定进展，但对喷丸工艺参数系统控制的模拟研究比较薄弱，关键设备的研制投入较少，且自动化控制无法满足工业应用要求，所以与国外还有较大差距。

二、新型喷丸技术

2.1激光喷丸

相比于传统喷丸，激光喷丸形成的残余压应力层更深，其稳定性和一致性都更好，可使同一零部件上的不同区域达到不同的抗疲劳性能。它可以和其他强化技术配合使用，对普通热处理工件存在的“软点”补充强化。国外采用激光喷丸处理形成的残余应力能达到材料抗拉强度的60%，而国内的激光喷丸工艺和设备仅限于试验阶段，缺乏相应的工艺和技术标准，激光器的峰值功率水平不高，控制和检测技术也不成熟，这些都限制了激光喷丸工艺的应用和快速发展。

2.2超声喷丸

相比激光喷丸，超声喷丸因超声波的普及及其设备造价较低，在国内的应用领域较为广阔，超声喷丸强化形成的硬化层深度也比机械喷丸的深，能产生较大的残余应力值，金属材料表面获得厚度达几十微米的纳米层。对7075.T651铝合金超声喷丸，所形成的压缩残余应力较大值为217.3MPa，比普通喷丸增大了31.9%。对321不锈钢进行超声喷丸后，其表层产生了厚约10nm的纳米层，有利于提高表面硬度，改善表面性能。目前，超声喷丸的实际应用取得了定的进步，且试验性研究积累了一定的研究成果，但些关键的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和对喷丸过程进行模拟时模型的精确建立等问题。

2.3高压水喷丸

对铝合金、硅锰合金和碳钢等进行高压水喷丸或气穴无弹丸喷丸，其疲劳强度比传统喷丸强化提高了40%。该技术弥补了其他新型喷丸技术的设备昂贵等问题，水介质和动力源来源广泛，能耗和成本低，生产效率高，应用前景广阔。然而，目前对于高压水喷丸技术相关的理论研究还不够深入和完善，且在国内的研究较少。因此，进一步研究该技术的微观作用机理，提高强化和成形的效率，加强设备研制是下步需要开展的工作。

2.4复合喷丸及再次喷丸

单一表面强化技术因其设备和条件的限制都有其特定的适用范围，限制了实际应用范围。复合喷丸强化技术通过协同效应可结合2种或者多种技术的优点，获得更优异的效果。一种基于激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性的方法和装置可改善熔覆层残余应力分布，降低表面粗糙度，提高其表面质量，延长使用寿命。合适的再次喷丸周期可使金属的总疲劳服役寿命提高70%以上。

近年来，国内外喷丸技术发展迅速，以激光喷丸、超声喷丸及高压水喷丸为代表的新方法、新技术相继出现，使得喷丸技术的应用领域和范围更加广泛， 同时新型喷丸技术对设备要求高，特别是激光喷丸，价格昂贵，国内与国外研究相比还存在一定差距。在新型喷丸技术方面，虽然国内学者已经开展了激光喷丸、超声喷丸及高压水喷丸相关技术的研究，但是，许多方面仍处在机理探索及试验阶段，距离工程应用的要求还有很大差距，因此，必須加快国内在相关工艺技术研究，满足国内航空航天制造领域对喷丸技术的多样化需求与发展。

三、展望

我国在喷丸技术研究方面起步较晚，和国外发达国家相比，还有一定的差距。目前，国内先进大型数控喷丸设备均从国外引进，将会限制国内先进喷丸工艺技术的发展。因此，应整合高校、科研院所及相关企业资源，加大研究力度，自主开发先进大型数控喷丸设备，打破国外技术垄断。