关于超声波喷丸技术的探讨

关于超声波喷丸技术的探讨

魏巍

沈阳飞机工业 ( 集团 ) 有限公司 辽宁沈阳 110034

摘要：超声波喷丸技术近些年来在航空航天领域具有广泛地应用，其主要作用是能够强化材料表面性能，提高材料表明的物理、化学等多项性能，且该项技术的应用较为简单，有利于提高生产效率和加工质量，同时不会产生污染，能够有效提高航空器材的综合建造质量。该项技术主要是通过超声波转化形成的机械振动冲击荷载，将其作用在金属材料表面后，能够达到强化金属材料表面性能的目标。因此，本文将对超声波喷丸技术的理论以及实践应用多方面进行研究，并提出一些合理的意见和措施，旨在进一步促进超声波喷丸技术应用水平的提高。

关键词：超声喷丸；强化技术；金属表面；疲劳寿命；优化措施

在我国航空航天领域快速发展的背景下，航空飞行器的制造对于金属材料性能有着极高的要求，但是许多金属材料在使用过程中，都会发生疲劳断裂问题，导致飞行器运行安全性受到很大影响。因此，针对金属材料表面的强化技术研究不断深入，其中超声波喷丸技术在实践应用中取得良好效果，能够提高金属材料表面性能，从而强化金属材料的疲劳寿命，使其在使用过程中降低发生疲劳断裂问题概率，对于我国航天航空领域发展产生关键性推动作用。

1超声波喷丸技术基本概念

1.1超声波喷丸技术原理

超声波喷丸技术以超声波振动作为主要动力来源，利用换能器将超声波振动信号转化为机械振动信号，之后利用变幅杆将纵波机机械振动的微小振幅进行方法，一般会放大到30—80μm之间，从而带动安装在振动工具中的撞针、喷丸等对目标金属材料进行高速撞击，使得金属材料避免形成塑性变形，金属材料表面在冲击作用下会发生程度较高的碎化现象，碎化程度可以达到纳米级别，从产生较为均匀、稳定且密集的位错增殖。同时，金属材料内部会产生高幅的参与压应力分布，进而能够达到强化金属材料性能的目的^[1]。

1.2超声波喷丸技术特征分析

根据超声波喷丸技术的实践应用来看，该技术具有如下几项特征：（1）高残余压应力。超声波喷丸技术的强化作用主要受到残余压应力和残余压应力层深度的影响，相比于传统的强化技术而言，超声波喷丸技术所产生的残余压应力数值更高，残余压应力层能够达到更高的深度，从而能够提高对金属材料的强化效果。（2）较小的表面粗糙度。针对金属材料的表面强化技术，传统喷丸工艺中所采用的喷丸尺寸较小，且喷丸喷塑速度较高，在与金属材料表面撞击过程中喷丸会发生破碎，同时受到表面粗糙度较大的影响，会导致金属材料出现疲劳失效以及应力腐蚀等问题，从而在很大程度上降低强化效果。超声波喷丸技术不仅采用传统喷丸介质，同时采用尖端曲率半径较低的撞针，在相同的工况条件和环境条件下，超声波喷丸技术需要选择硬度较高的轴承钢材料等，喷丸直径会有所提升，同时喷丸表面的光滑度会得到很大提高。超声波喷丸技术应用过程中，喷丸速度方向具有随机性，从而能够提高喷丸对金属材料表面撞击均匀性，经过强化后的金属材料表面粗糙程度更低，能够有效提高金属材料表面强化效果。（3）设备功率较低。超声波喷丸技术与传统喷丸技术相比，所采用的机械设备体积较小，具有便携性优势，且因为利用超声波作为动力来源，设备运行功率更低，适合在场地有限的设备维修工作中使用，能够提升喷丸技术应用灵活性^[2]。（4）环保无污染。因为超声波喷丸技术采用丸粒作为介质，喷丸在作业过程中处于封闭状态，所以需要采用的丸粒数量较少，且丸粒的损伤率更低，能够避免传统喷丸技术中因为丸粒破碎导致的粉尘污染问题，且超声波喷丸技术采用撞针形式，能够进一步对污染问题进行控制，具有良好的环保性和无污染性。（5）可控性优越。超声波喷丸技术能够采用更少的喷丸实现对金属材料表面的强化，且循环利用周期得到延长，喷丸更换也更加简便，设备中不需要安装丸粒分结构，所以能够提高技术可控性，对于提高金属表面强化工作质量具有重要的作用，是超声波喷丸技术具有的主要优势和特征。

2超声波喷丸技术的实践应用优化措施分析

超声波喷丸技术在当前金属材料表面性能强化方面具有极其重要的作用，且该项技术正处于不断地完善与发展过程中，具有广阔的发展前景，我国超声波喷丸技术虽然研究起步较晚，但是经过多年的实践经验积累，当前技术发展已经较为成熟，掌握多项关键技术，但是在一些重要技术方面依然需要进行突破和创新，主要包括如下几项：

2.1工艺参数优化

超声波喷丸技术的应用流程较为复杂，涉及到多个学科和领域的专业知识，例如机械学、振动学以及声学等，为了提高超声波喷丸技术的工艺效果，必须考虑到各个工序和环节对于强化效果的影响，从而对其工艺参数进行优化调整。以撞针式超声波喷丸技术为例，撞针式超声波喷丸技术在应用过程中，需要对撞针直径、撞针数量、撞针功率、分布密度、撞针振幅等工艺进行优化，才能够保障技术取得良好效果，使得金属材料表面得到充分强化

^[3]。由此可见，超声波喷丸技术应用具有复杂性，必须对其具体应用参数进行优化，结合被强化金属材料的特征，确定合理的工艺参数，是促进超声波喷丸技术应用成熟的重要基础。

2.2力学模型创建

因为超声波喷丸技术应用较为复杂，撞针式超声波喷丸技术、弹丸式超声波喷丸技术，都需要建立撞针或高速冲击作用力学模型，并且需要考虑到金属材料受喷表面残余应力场以及表面纳米化等因素，才能够提高超声波喷丸技术应用合理性，需要在前期采用相应的计算软件，对力学性能进行大量的计算和验证，所以需要将计算机控制、仿真建模分析等技术与超声波喷丸技术相融合，从而能够力学计算结果准确性，对于超声波喷丸技术优化具有重要作用。

2.3残余压应力等方面研究

因为金属材料的表面纳米化对于其性能影响较为复杂，会受到金属材料表面残余压应力、硬化等因素的影响，所以必须明确这些作用的联合机理，以及与超声波喷丸技术的关系，才能够对超声波喷丸技术进行整体性优化。同时，因为金属材料表面强化会受到腐蚀影响，所以需要对表面纳米化的疲劳腐蚀以及应力腐蚀等性能进行研究，才能够全面提高超声波喷丸技术应用效果，对于金属材料表面强化具有重要意义。

2.4模拟模型确立

在超声波喷丸技术的应用过程中，喷丸过程实际上是在一定数量撞针或一定数量弹丸的冲击作用下，对金属表面的强化过程，金属表面受到撞针或弹丸冲击荷载的作用，撞针冲击金属表面的冲击力大小以及冲击方向会有很大差异；弹丸式超声波喷丸技术在应用过程中，弹丸冲击角度、冲击方向以及冲击力具有一定的随机性，整个物理流程较为复杂，所以必须针对超声波喷丸技术的不同形式，建立科学的模拟模型，才能够保证超声波喷丸技术应用合理。除此之外，因为在高应变频率下，超声波喷丸技术的撞针、弹丸以及金属材料的属性存在较大差异，且之间产生的摩擦力确定难度较大，需要采用有限元等分析方式才能够保证结果准确，从而提高超声波喷丸技术科学性。

结束语

综上所述，本文全面阐述了超声波喷丸技术的原理以及技术特征，并对其具体应用的核心工艺优化提出多项有效措施，希望能够对我国航空航天领域发展起到一定的借鉴和帮助作用，不断提高超声波喷丸技术水平。

参考文献

[1]丛家慧, 王磊. 超声喷丸表面强化技术的研究现状与应用进展[J]. 机械工程材料, 2019, 043(005):1-5.

[2]辉、徐刚、张炜、李斌博、梁思瑞、李飞. 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, 286(09):61-63.

[3]张涛, 李磊 鲁世等. 预应力超声喷丸参数对板材弯曲曲率及球面变形的影响[J]. 中国有色金属学报, 2019,(002):270-278.