近年來(lái)，隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，尤其是大功 率超聲沖擊設(shè)備制造技術(shù)的日益成熟，應(yīng)用高能超聲波產(chǎn)生的沖擊波進(jìn)行金屬板料的塑性成形與校形 成為了可能。

以高頻率(一般在20kHz以上)、?高達(dá)數(shù)千瓦功率的超聲波作為能量?源，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換為同頻率的縱波 機(jī)械振動(dòng)能量，再通過(guò)變幅桿進(jìn)行放大，高能量密度的機(jī)械能沖擊波作用?于金屬表面，使金屬板料發(fā)生彎曲變 形，由此實(shí)現(xiàn)金屬板料的噴丸成形和?校形。由于其工藝過(guò)程和原理類似?于傳統(tǒng)的噴丸工藝，所以稱為“超聲波”噴丸成形與校形。

近年來(lái)，隨著超聲波技術(shù)的發(fā)?展，尤其是大功率超聲沖擊設(shè)備制造 技術(shù)的日益成熟，應(yīng)用高能超聲波產(chǎn)?生的沖擊波進(jìn)行金屬板料的塑性成 形與校形成為了可能。高能超聲波?噴丸成形和校形技術(shù)其設(shè)備成本低、 工件性能高、適用性廣、且工藝過(guò)程 環(huán)保，在美國(guó)和歐洲一些國(guó)家的航空 航天部門(mén)已經(jīng)得到了重要應(yīng)用，?但我國(guó)的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。

超聲波噴丸成形與校形技術(shù)

1基本原理

超聲波噴丸技術(shù)利用高能量密度的超聲波經(jīng)沖擊介質(zhì)(鋼質(zhì)撞針或 者彈丸)沖擊金屬材料表面，在金屬?材料表面產(chǎn)生遠(yuǎn)大于材料動(dòng)態(tài)屈服?強(qiáng)度的巨大沖擊力，從而引發(fā)材料表?面劇烈的塑性變形。材料表面層的 微觀組織由于這種劇烈的塑性變形?而得到極大的碎化(可達(dá)納米級(jí)別)， 產(chǎn)生密集、均勻且穩(wěn)定的位錯(cuò)增殖。?與此同時(shí)，材料內(nèi)部誘導(dǎo)產(chǎn)生了高幅?的殘余壓應(yīng)力分布，當(dāng)殘余壓應(yīng)力積 累到一定程度時(shí)，板料會(huì)發(fā)生宏觀的?彎曲變形使其內(nèi)部力系重新達(dá)到平衡，并形成新的內(nèi)部應(yīng)力分布。通過(guò) 調(diào)整超聲波噴丸的不同參數(shù)，便可以產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)板 料光滑曲率的精密成形與校形。

2技術(shù)特點(diǎn)

超聲波噴丸成形和校形相較于?其他成形與校形方法，技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

?(1)可實(shí)現(xiàn)較厚板材的成形。由于其特有的高應(yīng)變率效應(yīng)，能夠產(chǎn)生幅度和深度更大的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)， 實(shí)現(xiàn)更大曲率半徑的成形和校形，在 厚板局部成形和校形方面具有獨(dú)特 的優(yōu)勢(shì)。在厚度不大于22mm的鋁合金板材上可以成形和校正形狀，而 傳統(tǒng)機(jī)械噴丸成形則因板材太厚而 不能有效成形和校形。

(2)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀工件的成 形和校形。超聲波噴丸設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)?單、操作方便，能夠?qū)?fù)雜的結(jié)構(gòu)件 (如腔體)進(jìn)行局部成形處理，設(shè)備的工藝參數(shù)少(超聲波發(fā)生器的頻率、 撞針規(guī)格、振幅)，可控性好，對(duì)于不?同變形特征的成形和校形過(guò)程選取?適用的設(shè)備工藝參數(shù)，可控制金屬板 料表面的殘余應(yīng)力大小和深度，從而?達(dá)到控制金屬板料表面殘余應(yīng)力場(chǎng)?的分布，可實(shí)現(xiàn)金屬板料的精確成形和校形。?

(3)成形后的材料綜合性能較其他噴丸成形方法好。與其他噴丸?成形相比，超聲噴丸成形后的板材表 面光滑、粗糙度良好。撞針垂直方向 撞擊材料表面，且速度要小于傳統(tǒng)丸 粒，撞針撞擊部位的圓度和表面粗糙 度精度高，而這些因素都使噴丸處理?后的工件表面粗糙度值下降。除此?之外，超聲波噴丸進(jìn)行成形的同時(shí)所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力是傳統(tǒng)噴丸及激?光噴丸的數(shù)倍，更大的殘余壓應(yīng)力值 提高了工件材料的抗疲勞、抗腐蝕及抗變形的能力。

?(4)無(wú)污染。機(jī)械噴丸成形需要在每次噴丸結(jié)束后對(duì)彈丸進(jìn)行收 集、清洗、分級(jí)以及破粒去除，而超聲 波噴丸成形采用的鋼質(zhì)噴丸介質(zhì)不 容易磨損，長(zhǎng)時(shí)間作用磨損后也很 方便更換，是一項(xiàng)無(wú)污染綠色制造技 術(shù)。

(5)設(shè)備的成本低。超聲波發(fā)生器尺寸較小、能耗低，整個(gè)超聲波 噴丸裝置可做成移動(dòng)便攜式，應(yīng)用場(chǎng) 所不受限制，完全可以在車間生產(chǎn)線 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

3研究和應(yīng)用進(jìn)展

超聲波噴丸強(qiáng)化、超聲波噴丸成?形與超聲波噴丸校形統(tǒng)稱為超聲波?噴丸技術(shù)，是最近十幾年興起的一種?表面處理技術(shù)。超聲波噴丸強(qiáng)化技 術(shù)主要是利用彈丸或撞針對(duì)金屬材 料表面進(jìn)行高速重復(fù)沖擊使其產(chǎn)生 硬化層，以達(dá)到提高金屬零件的表面?強(qiáng)度、疲勞壽命等目的。超聲波噴丸?校形與成形技術(shù)則是通過(guò)撞擊產(chǎn)生?殘余應(yīng)力，迫使板料產(chǎn)生宏觀彎曲變 形，在材料“增壽”的同時(shí)，達(dá)到成形?與校形的目的。超聲波噴丸強(qiáng)化技?術(shù)相對(duì)比較成熟，已有較廣泛的應(yīng)用 及研究報(bào)道，而超聲波噴丸成形與?超聲波噴丸校形研究和應(yīng)用報(bào)道則?比較少。

2005年，烏克蘭Pmk叩enko等14l 提出一種新型的超聲波噴丸設(shè)備專 利，采用撞針作為工具頭，又稱為超 聲波噴丸。他們用該設(shè)備處理大型 平面，有效提高了表面硬度，材料的 表面粗糙度也優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸。

2006年，俄羅斯Statnikov等 比較了在超聲波噴丸中采用撞針和?丸粒效果的不同。結(jié)果證明了采用 撞針的超聲波噴丸工藝在材料表面 所產(chǎn)生的應(yīng)力要大于普通超聲波噴丸。

2007年，英國(guó)謝菲爾德哈勒姆?大學(xué)的Rodopoulos等對(duì)比了數(shù)控 噴丸、激光噴丸和超聲噴丸(工具頭為撞針)3種方式對(duì)2024一T35l鋁合 金疲勞壽命的改善效果:(1)3種表 面處理工藝均能在表面產(chǎn)生殘余壓 應(yīng)力，應(yīng)力幅值為220MPa左右。前?兩種方式在距離表面100—300um處能產(chǎn)生更高和更均勻的殘余壓應(yīng)力， 而超聲噴丸在距離表面0.14~1.1mm?處產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力更好。激光噴丸和超聲噴丸產(chǎn)生的最大殘余壓 應(yīng)力層為1.6mm左右，數(shù)控噴丸為?1.1mm。(2)數(shù)控噴丸和超聲噴丸明顯的提高了材料表面的硬度，而且超聲噴丸的有效深度要好于數(shù)控噴丸，?其峰值存在于距離表面150um處。 而激光噴丸產(chǎn)生的影響較小，可忽 略。(3)數(shù)控噴丸對(duì)于表面粗糙度?提高了18%，激光噴丸7%，超聲噴 丸8%。結(jié)果表明，材料經(jīng)超聲波噴 丸后具有最好的綜合機(jī)械性能。

1996年法國(guó)SONATS公司開(kāi)始 了超聲波噴丸技術(shù)的研究，1999年 開(kāi)發(fā)出第一套超聲波噴丸設(shè)備及其 相應(yīng)的超聲波噴丸工藝，目前已推 廣應(yīng)用于航空航天、造船及汽車等 行業(yè)。SONATS公司對(duì)機(jī)翼蒙皮局 部變形進(jìn)行了矯形處理(如圖l所 示)用。

2001年，KSA公司著手研發(fā)了?7軸數(shù)控噴丸設(shè)備，并在之后與空中?客車公司合作的A380、A318/A340 等諸多項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。發(fā)?展至今，已經(jīng)成為國(guó)際上飛機(jī)大型板 件成形的先進(jìn)工藝技術(shù)，但同時(shí)由于 飛機(jī)壁板這種成形對(duì)象的尺寸過(guò)大、?材料屬性的不均勻和加工硬化等無(wú)?法精確預(yù)測(cè)或在線預(yù)測(cè)的因素影響，?數(shù)字化噴丸成形后的航空結(jié)構(gòu)件仍?舊需要使用便捷、靈活的超聲波噴丸?進(jìn)行局部成形和校形，KSA公司提?出了采用超聲波噴丸成形和校形技術(shù)。

美國(guó)Integty?Testing Laboratory公司與法國(guó)SONATS公司同時(shí)提出了采用機(jī)械手臂進(jìn)行數(shù)控超聲波噴丸成形的技術(shù)。圖2為IntegrityTestLab公司研制的機(jī)械手臂數(shù)控超聲噴丸成形設(shè)備,率先推進(jìn)了超聲波噴丸成形和校形設(shè)備的數(shù)控化。

中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司與南京航空航天大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了C919飛機(jī)機(jī)翼整體壁板超聲波噴丸成形和校形工藝驗(yàn)證研究,在3-22mm超硬鋁板上進(jìn)行超聲波噴丸成形和校形試驗(yàn),獲得了滿意的效果,形成了公司適用的超聲波噴丸工藝規(guī)范文件。
超聲波噴丸成形的振幅、覆蓋率以及噴丸時(shí)間等工藝參數(shù)如果選擇不當(dāng),會(huì)造成噴丸工件表面質(zhì)量的變差,噴丸過(guò)度會(huì)造成疲勞壽命的下降,因此,需按照工藝規(guī)范文件進(jìn)行操作和選擇工藝參數(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)分析

超聲噴丸成形和校形技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?跟國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比,目前國(guó)內(nèi)在設(shè)備和相關(guān)工藝技術(shù)研究方面均剛起步。需要盡快開(kāi)展超聲波噴丸成形和校形關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。

(1)超聲噴丸效能的最優(yōu)化問(wèn)題。

超聲波噴丸過(guò)程復(fù)雜，涉及到機(jī) 械學(xué)、聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)、電學(xué)等諸多 學(xué)科，要想取得最佳噴丸效能， 應(yīng)綜合考慮各個(gè)噴丸參數(shù)對(duì)噴 丸效能的影響。如超聲波發(fā)生 器頻率及工作功率、撞針直徑及 數(shù)量、撞針?lè)植济芏取⒆册樥穹?噴丸時(shí)間等，均衡設(shè)定各個(gè)噴丸 參數(shù)，取得最佳噴丸效能是一個(gè) 值得國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的大問(wèn)題。

(2)超聲波噴丸參數(shù)和板 料成形量/校正量之間的定量 關(guān)系和殘余應(yīng)力場(chǎng)的有效控制。

成形量和校正量是評(píng)價(jià)超 聲波噴丸成形和校形效果最直 接的指標(biāo)，而塑性變形量是由殘 余應(yīng)力場(chǎng)決定的。因此，需要通 過(guò)理論計(jì)算、試驗(yàn)研究、測(cè)試以 及有限元模擬等手段建立超聲 波噴丸參數(shù)與殘余應(yīng)力場(chǎng)的大 小和分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再進(jìn)一步建立殘余應(yīng)力場(chǎng)與板料成形量/校 正量的計(jì)算模型，三維殘余應(yīng)力場(chǎng)的 獲得是值得研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

(3)利用有限元分析軟件對(duì)超 聲噴丸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)模型的?精確建立。

由于噴丸過(guò)程是一定數(shù)量的撞針同時(shí)間沖擊工件表面，工件表面受到各個(gè)撞針的動(dòng)載作用，同個(gè)工具頭上各個(gè)撞針的沖擊方向和沖擊力大小有可能不同，而這些因素都會(huì)不同程度地影響到工件表面形貌及機(jī)械性能，所以整個(gè)物理過(guò)程非常復(fù)雜，很難建立精確的工件受噴模型。此外，撞針和材料在高應(yīng)變率下的材料屬性很難給定，接觸和摩擦條件也難以準(zhǔn)確描述，使得精確建立超聲噴丸過(guò)程的有限元模型十分困難，影響到有限元模擬的準(zhǔn)確性。

(4)超聲波噴丸成形和校形工 藝規(guī)劃方法與準(zhǔn)則的建立。

通過(guò)大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)，研究確立 超聲波噴丸參數(shù)對(duì)成形和校形變形 規(guī)律的影響，對(duì)不同變形特征的零件 進(jìn)行成形和校形的試驗(yàn)和測(cè)試，分析 超聲波噴丸參數(shù)對(duì)該區(qū)域流線形態(tài)、 表面質(zhì)量、成形精度、殘余內(nèi)應(yīng)力、疲 勞壽命的影響，得到超聲波噴丸參數(shù) 的取值范圍和適用場(chǎng)合，從而形成復(fù) 雜變形特征的金屬板件超聲波噴丸 成形和校形工藝的設(shè)計(jì)方法及準(zhǔn)則。

總結(jié)和展望

(1)超聲波噴丸成形和校形是?一種新型的綠色高效噴丸新技術(shù)，豐 富了板料的塑性成形與校形技術(shù)，與 傳統(tǒng)機(jī)械成形與校形技術(shù)相比，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制、?板料校形能力和范圍大、表面質(zhì)量?好，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

?(2)超聲噴丸成形和校形技術(shù)能用于解決目前飛機(jī)制造中大厚度、?復(fù)雜曲面的機(jī)翼整體壁板局部噴丸?成形與變形校正的問(wèn)題，顯著提高飛 機(jī)機(jī)翼壁板的制造精度和生產(chǎn)效率， 并降低生產(chǎn)成本。

(3)結(jié)合當(dāng)前超聲波噴丸成形?和校形技術(shù)的研究現(xiàn)狀，超聲波噴丸 技術(shù)要推廣到工程實(shí)際應(yīng)用，還需要?深入地研究超聲波噴丸成形與校形工藝對(duì)材料實(shí)施成形和校形效果的研究，加強(qiáng)對(duì)大尺寸、大厚度復(fù)雜變形零件的應(yīng)用探索，并開(kāi)展預(yù)應(yīng)力超聲波噴丸板料成形與校形技術(shù)。提高復(fù)雜板料變形的成形和校形能力以及精度。

通過(guò)對(duì)超聲波噴丸成形和校形技術(shù)理論和應(yīng)用的深入研究，該項(xiàng)新技術(shù)必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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