超声波喷丸校形技术基础理论及研究现状

超声波喷丸校形技术基础理论及研究现状

姜伟  夏明莉  冯文涛  裴高超

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安，710089）

摘要：超声波喷丸校形技术是现阶段大型机翼壁板喷丸成形过程中不可或缺的一种绿色校形设备，其喷丸的基本原理与传统喷丸类似，本文从超声波喷丸校形技术的基本理论基础出发，阐述了超声波喷丸校形技术的基本加工过程，同时将该技术国内外的研究进展以及应用前景作了说明，该项技术在大型复杂机翼壁板的校形中具有十分显著的优势。

关键词：超声波喷丸；校形；机翼壁板；喷丸

0.引言

超声波喷丸是在传统喷丸的基础上衍生的一种新型喷丸技术，内置超声波发生器产生10~40kHz高频率电磁振荡信号，通过换能器的转换，电磁信号转化为机械振动，随之连杆将该机械振动传导至撞针针头，最终使得针头产生弹跳式的机械振动，从而击打零件的表面，使得零件表面产生压应力层，其喷丸原理与传统的喷丸一致，但是较传统的喷丸成形来讲，超声波喷丸具有较大的灵活性，可控性强，可以随意移动根据实际情况进行喷丸。另外，超声波喷丸成形相比传统喷丸成形更具环保性，零件表面无弹丸污染。从压应力层的深度来比较，超声波喷丸比机床喷丸成形的应力层更深，对材料表面抗腐蚀性及疲劳性能的加强更有利。因此，超声波喷丸强度大，成形曲率大，相比常规的机床喷丸成形优势突出。

超声波喷丸成形具有设备轻便，操作灵活，适用性强等特点，近年来显示出了较强的竞争力。机翼壁板外形结构日趋复杂化，成形精度愈加严格，局部特殊区域的外形成形难度相当大，超声波喷丸正是有着上述的特点，开始在机翼壁板成形中占据了一席之地。例如：机翼壁板特殊局域外形复杂，常规的喷丸成形难易满足精度要求，超声波喷丸灵活度大，喷丸强度大，正好可以解决这种难题，满足机翼壁板的特殊区域外形精度要求[1]。

图1  便携式超声喷丸设备

1. 超声波喷丸技术的基础理论

实际工程中往往需要用理论研究来指导实际生产，因此，喷丸成形的理论研究是非常有必要的，通过理论研究，掌握喷丸成形过程中力学变化的原理，更好的为实际生产提供理论和技术方面的支持。需要说明的是，超声波喷丸成形与常规的机床对板材喷丸成形有着较大的不同，因为，超声波喷丸从原理上来讲是通过电磁信号和机械振动之间的转换获得的，整个喷丸成形过程更加复杂，涉及理论和因素也更多，比如高应变速率、碰撞理论、回弹过程等，并且在成形的过程中不同的因素相互作用，很难准确的定量对每个影响因素剥离分析，因此，开展超声波喷丸成形基础理论研究十分有必要[2]。

1.1超声波喷丸物理过程分析

超声波喷丸的物理过程十分复杂，涉及诸多学科和理论，比如机械学、力学、振动变形等。简单来讲，超声波喷丸的基本过程包含两种不同能量的转换，首先，高频发生器产生高频振荡的电信号，通过换能器的转换，电信号变成机械振动作用到板材表面，完成喷丸变形。整个过程分两步，撞击和回弹。撞击过程中，弹丸高速冲击靶材，整个冲击过程持续时间很短，速度瞬间降低至0，撞针的动能转化靶材的变形能，靶材表面浅表层发生塑性变形。宏观上讲，撞针撞击靶材表面产生的弹坑导致周边材料堆积进而发生延展变形[3]。

图2  喷丸撞击及变形过程

1.2 碰撞理论分析

碰撞理论过程十分复杂，涉及因素较多，比如撞击速度不同，动能响应便不同，受撞击的材料以及厚度不同，同样会对能量响应产生影响。实际工程应用中，对喷丸效果影响最为主要的因素便是喷丸速度，因此，论文便选取喷丸速度来进行碰撞理论分析研究。喷丸速度较低时候，撞击到板材表面之后产生的能量转换无法实现板材表层的塑性变形，此时，板材表层只发生弹性变形，撞击回弹之后板材表层的变形会消失。弹性变形的临界速度为：

（1）

撞击速度增大超过临界速度后，板材表层会发生塑性变形和弹性变形两种，速度进一步增大时，塑性变形量会增加，当速度增大至某一值时，板材表层将不会产生弹性变形，此时的速度为极限速度。极限速度为：

（2）

式中，为板板动态的屈服应力。

撞击速度再进一步增大时，靶材的变形并非塑性变形，而是流体变形，这种情况与实际工程中不符合[4]。

1.3 冲击过程表征

喷丸过程简单来讲可以分为三个阶段，弹丸或者撞针高速运动至板材表面、高速撞击板材表面至板材表面产生形变、弹丸或者撞针回弹且板材表面形变随之减小。

1）第一阶段：弹性变形过程

弹丸或撞针高速运动至板材表面，撞击板材表面，发生弹性变形，该阶段与第二阶段的分界点在于板材表面任何一点发生弹性变形时则第一阶段结束，第二阶段开始，即塑性变形产生。

2）第二阶段：塑性变形过程

由于弹丸或者撞针的结构所致，板材最先发生塑性变形的区域为板材最先被撞击的区域，以此为中心向四周扩展，第二阶段中，中心区域以外可能存在部分区域发生弹性变形。

3）第二阶段：回弹过程

弹丸或者撞针撞击完成后，板材受撞击中心的周边弹性变形区域会将应变能释放出来，此时，弹性变形区域外形回复到原来的形状，整个冲击过程结束，此时弹坑直径会减小，塑性变形趋于稳定。

1.4 喷丸成形的力学解析

喷丸成形的过程十分复杂，弹丸撞击板材之后，一般在板材的浅表层产生残余压应力，引起板材浅表层塑性变形。而在板材的中性层发生的是弹性变形，甚至没有变形，中性层的应力状态是拉应力。浅表层的压应力和中性层的拉应力互相平衡之后，板材的喷丸成形趋于稳定。如果将材料浅表层的应力层也即喷丸层去除掉的话，喷丸产生的塑性变形可能丧失，板材极有可能恢复到初始状态。板材受到外界应力之后，将产生弹性或者塑性变形，模型如图3所示。

图3  外弯矩作用下的弹性弯曲示意图

上述理论基于3个基本假设：1）板材所有喷丸的表面是均匀的；2）板件各向刚性是一致的；3）板件在喷丸过程中不能施加任何预应力。

此时，板材表面单位长度产生的弯矩M近似为：

（3）

式中：——板表面残余压应力的均值，MPa；

       ——板表层残余压应力层的深度，mm；

       ——板材的厚度，mm。

喷丸成形以后，板件获得一定外形，曲率半径计算公式为：

（4）

式中： E——弹性模量，MPa；

     ——泊松比。

将式（3）代入式（4），得到

（5）

用代替壁纸，并略去的高次项，得到

（6）

式（6）中的误差只有当压力层的深度极大时才会比较显著。深度很大时，实际工程中，压应力层的深度一般都小于板材厚度的10%，公式的误差基本均小于4%。

如果喷丸强度较低，其应力层的深度将比板材的厚度更小，此时压应力层的深度几乎可以忽略不计算，公式可以进一步简化为：

（7）

式（7）表明，喷丸成形获得的曲率半径与板材的厚度的平方成正相关，也就是说，同样的喷丸参数，薄板材获得的曲率是厚板材的平方倍数。而与残余压应力层的深度和平均应力值的积成负相关。该结论与实际工程中结果是相符的，更是后期有限元模拟建模的基础。

在超声波喷丸成形有限元模拟仿真的过程中，可以通过设置撞针的初始速度来实现对板材冲击载荷的界定，撞针的初始速度由超声波变幅杆的振幅决定，研究发现撞针的初始动能近似等于超声波变幅杆的动能，超声波变幅杆的最大初始速度可以通过式计算，其中（为变幅杆的频率），为变幅杆振幅，由此可知变幅杆的最大速度。

借鉴前期高校课题，忽略变幅杆与撞针之间的能量损失，由动量定理可计算得出实验所用超声波冲击振幅与本次有限元模拟中撞针速度的对应关系[5]。

2. 超声喷丸校形国内外研究现状

超声喷丸是最近十几年来兴起的一种表面处理和改性技术，在欧美等发达国家相关研究开展的比较早，法国SONATS公司早在1996年便开始了超声波技术的应用研究，截至目前，已经有了相对比较完善的设备和工艺技术，在世界范围内属于领先地位。后续又有不同的研究者进行了相关的理论研究，Ai.Hassani将赫兹弹性理论和弹塑性模型应用在喷丸残余应力的预测上，获得了较大的反响；Kevin K.Liu等人选取基础实验件，采用超声波喷丸、机床喷丸以及激光喷丸，研究三种方式对实验件表面疲劳裂纹的阻碍作用，得到超声波喷丸的实验件表面裂纹蔓延的较慢，也就是说超声波喷丸可以使材料获得较高的疲劳性能。F.A.Guo 等学者对实验件喷丸成形表层纳米的导热率进行的实验研究，发现被喷丸后的表层纳米层导热率减小了，并提出了根据零件纳米层厚度的大小来预测导热率的设想，该项技术已经成为国际上的一个研究热点。

超声波喷丸设备最大的特点就是简便易控制，灵活性强，目前国际上超声波喷丸成形设备竞争力较大的当属Wheelabrator公司，该公司所生产的超声波喷丸设备，枪头灵活敏捷，人工操作性相当强，枪头能进入的区域均可以实现超声波喷丸成形。

在国内，超声波喷丸成形研究起步较晚，就目前而言，国内从事超声波喷丸研究的大都是科研院所和部分航空类高校，比如天津大学、南航、北航等，科研院所主要有中国航空工业制造院，生产制造单位有中国航空工业西飞等。

经过几年的科研探索和实际工程的实验研究，国内在超声波喷丸成形方面的研究也已经取得了较大的成就。目前，超声波喷丸强化技术已经基本成熟，超声波喷丸成形理论基础研究和相关的成形数值模拟均已经取得了较大的突破。各大科研院所均进行了数量庞大的基础实验，一致认为超声波喷丸成形相比于常规的机床喷丸成形，可以产生更大的曲率半径，同时获得更深的应力层深度，因此，提高零件疲劳寿命方面优势较大。但是，上述各项成就大多数局限于实验研究阶段，理论研究和基础实验研究的成果如何更好地嫁接在实际工程应用中成为目前国内存在的一个较大的难题[6]。

3. 超声喷丸校形技术特点及前景

3.1 超声波喷丸的技术特点

超声波喷丸具有以下技术特点：

1）超声波喷丸能量比常规机床的成形能量大，喷丸所产生的应力层深度比常规的机床喷丸产生的压应力层深度深；

2）超声波冲击压力一般要大于常规机床，因此，超声波喷丸成形会产生较大的残余应力；

3）超声波喷丸后的零件，不管是成形和强化，均会使材料表面产生纳米层，厚度达到几十微米厚；

4）由于超声波喷丸灵活，可操作性强，因此，可以实现复杂形状工件的喷丸强化，尤其对于复杂的槽腔、盲孔区域，常规机床喷丸强化存在着大量的遮蔽，而采用超声波喷丸则会避免上述问题。

5）超声波喷丸操作简便易控制、成形后的材料综合性能较其他喷丸成形好且无常规机床喷丸造成的弹丸污染。

2.2 超声喷丸技术应用前景

研究和发展新一代飞机成为提高国家核心竞争力的重要标志，是建设创新型国家、实现产业升级的战略需求，而研究、发展和创新先进飞机的关键在于轻量化新型结构材料和先进制造技术的大量应用。机翼壁板是飞机上非常重要的一种承力结构，随着现代飞机设计要求的不断提高，飞机机翼壁板结构也在不断的优化，近几年来，整体带筋壁板的出现逐渐替代以前的铆接结构壁板，相比之下，壁板的承力性等整体性能均有了大幅度的提高。然而，整体带筋壁板的结构和精度要求也随之提高，成形难度进一步增大，实际工程中的加工难度随处可见。因此，在航空制造领域，攻克整体带筋壁板的成形成了该领域的一个重要方向。

喷丸成形是目前金属机翼壁板较为广泛的一种成形方式，几乎不可替代。然而，多年来整体壁板一直存在加工变形和喷丸后的局部变形问题，影响了整体壁板的制造精度。超声波喷丸是近年来新发展起来的一种喷丸成形工艺方法，首先，高频发生器产生高频振荡的电信号，通过换能器的转换，电信号变成机械振动作用到板材表面，完成喷丸变形。相比传统的机床喷丸，优势不言而喻，成形曲率、表面质量、应力层深度等等均有了显著的提高，对零件的疲劳寿命优势突出。更主要的是在喷丸校形过程不可替代的作用，超声波喷丸可解决实际工程中难成形区域、遮蔽区域等对喷丸成形次数有严格限制的区域的喷丸。此外，采用超声波作为能量源，还解决了传统喷丸校形难以精确控制作用区域，难以实现复杂型面的精确校形等问题。因此，采用超声波喷丸校形工艺，将能够克服目前大飞机制造中大厚度、复杂曲面的机翼整体壁板采用传统校形工艺难以有效校形的难点，能显著提高大飞机机翼壁板喷丸校形的制造精度、生产效率及降低生产成本，能有效解决大飞机壁板变形后校正的问题，具有非常广阔的应用前景[7]。

4. 结论

超声波喷丸校形技术是现阶段大型机翼壁板喷丸成形过程中不可或缺的一种绿色校形设备，其喷丸的基本原理与传统喷丸类似，本文从超声波喷丸校形技术的基本理论基础出发，阐述了超声波喷丸校形技术的基本加工过程，同时将该技术国内外的研究进展以及应用前景作了说明，该项技术在大型复杂机翼壁板的校形中具有十分显著的优势。

参考文献

[1]杨辉,徐刚,张炜等.超声波喷丸技术在大型零件变形校正中的应用研究[J].现代制造技术与装备,2020,56(09):54-56.

[2]门向南,董锦亮,黄振彪等.超声波喷丸技术在大型零件变形校正中的应用[J].热加工工艺,2017,46(07):156-160.

[3]刘峰,鲁世红,张炜.超声波喷丸技术的研究进展[J].航空制造技术,2016(14):24-28.

[4]鲁世红,吴天睿,高国强等.超声波喷丸表面强化技术研究与应用进展[J].航空制造技术,2016(04):24-27.

[5]鲁世红,朱一枫,刘朝训等.高能超声波喷丸成形与校形技术研究进展[J].航空制造技术,2013(11):45-47.

[6]轧刚,刘海英,路会龙.超声波冲击和超声波喷丸强化技术的发展[C]//中国机械工程学会特种加工分会.2007年中国机械工程学会年会之第12届全国特种加工学术会议论文集.《机械工程学报》编辑部,2007:7.

[7]轧刚,刘海英,路会龙.超声波冲击和超声波喷丸强化技术的发展[C]//中国机械工程学会,湖南省人民政府.2007年中国机械工程学会年会论文集.机械工业出版社,2007:7.