喷丸技术应用概述

       一、简介
       随着现代工业的高速发展，作为一种重要的表面强化和加工方法，喷丸技术在各个领域有着重要应用。本专题主要从概念、原理、应用等方面对喷丸技术进行讲述。
       首先，什么是喷丸？喷丸是一种将高速弹丸流喷射到金属表面来提高零件寿命的表面强化工艺。它的历史可以追溯到公元前2700年。据记载，当时的铁匠和铸剑师们就发现，采用锤子捶打金属的表面，能够使它们更坚固以防折断。
       真是佩服古人的智慧啊，所以也可以说喷丸是起源于锤子打铁。
       到中世纪时，欧洲人在使用马拉轿车时，认识到凡是经过表面吹沙处理的板式弹簧，使用寿命会更高一些。20世纪初，人们开始使用金属颗粒对弹簧和大型齿轮的齿根进行喷丸强化处理。
       经过20世纪40年代大批研究者的努力，大家对喷丸工艺的认识提升到一个更高层次，从而推动和扩展了这项工艺的应用范围。洛克希德•马丁公司的工程师Jim Boerger从喷丸强化Almen试片中得到启发，开创了一种现代飞机制造中的先进成形技术——喷丸成形技术。
       因此，需要注意的是，喷丸技术包括喷丸强化和喷丸成形，这是两个不同的概念，喷丸成形是由喷丸强化演变而来的。
       二、原理
       对喷丸的概念和起源有了大概了解，下面来看一下喷丸强化的内在机理是怎样的呢？怎么就那么厉害，锤击一下，就能让金属零件变得更“强壮”？看看下面这个示意图，你就懂了。
       当一个圆球体高速轰击金属表面时，会使表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，提高金属的疲劳强度。
       将若干特定数量特定尺寸的小球以一定速度向金属表面进行喷射时，凹陷部分不断重叠，就会在金属表面形成平滑的强化层。        影响喷丸表面质量的因素主要有：喷丸尺寸和形状喷丸速度、组件表面硬度、喷丸持续时间、喷嘴和表面距离。下图展示了不同尺寸和形态的喷丸对零件表面的影响。
       三、喷丸加工效果测量工具
       1.Almen试片
       Almen试片是一个非常重要的工具，对于喷丸技术产生的效果，可以采用Almen试片来进行测量。Almen试片是一种硬而平的试片，分为N,A,C三种，如图所示，Almen试片被四个螺钉定在一个金属平台设备上，被一束均匀控制的粒子流轰击一段特定时间，然而测量试片的弯曲度即代表了压应力大小。
       2.饱和曲线
       饱和曲线显示了Almen试片弯曲度和冲击时间的关系。饱和曲线是通过对Almen 试片给予不同时间的冲击而产生的。通过弯曲度根据时间绘制时，喷丸流的密度可以由在冲击时间是双重点的最优拟合线来决定，在该点上弯曲度有10%的增加。
       四、喷丸过程数值分析方法
       喷丸成形过程机理还没有被完全理解，因此它的应用通常依赖于经验和技巧，精确数值工具能够降低开发成本，上图为喷丸加工的有限元模拟和喷丸成形过程（AA2024-T351铝合金）。
       五、超声波喷丸技术
       超声波喷丸技术是指利用超声波转化而来的机械振动冲击载荷作用于金属材料表面，以实现强化或者成形金属零件的目的。超声波喷丸技术不仅可以克服传统喷丸的不足，而且强化效果优于传统喷丸技术。
       六、应用
       喷丸技术是个“多面手”，在多个领域都有其用武之地。从大飞机制造，到汽车，还有海洋设备、乃至轮胎，医疗设备、体育器械都能看到喷丸加工技术的身影。
       在航空制造领域，喷丸强化技术加工的零部件主要有，涡轮圆盘、压缩机翼面和底部、航空器轮子、起落架、吊环和小齿轮、机轴、线圈和叶片弹簧等等。
       下面展示了采用喷丸技术加工的一些零部件。
       另外，喷丸成形一直是飞机机翼整体壁板首选甚至是唯一的成形手段。喷丸成形由于具有无需成形模具、准备周期短、场地占用少、设备适用性广及加工成本低，而且经过后序饱和喷丸可以明显提高构件疲劳寿命和耐腐蚀性能等显著优势，被广泛应用于飞机整体壁板的成形。
       上图中展示了ARJ21飞机超临界机翼壁板复杂气动外型面。ARK21是首家具有我国自主知识产权的国产ARJ21喷气式客机，该飞机超临界机翼壁板的研制成功离不开喷丸成形技术。可以说，小小丸粒不仅成就了ARJ21飞机，也成就了中国民机产业。
       七、喷丸设备
       八、知名公司
       1.德国KSA公司
       德国KSA公司是一家致力于开发自动喷丸成形设备的公司，其开发的自动喷丸成形设备可以完美适用于对航空器部件的批量加工。在过去几十年里，德国KSA公司生产了数以千计的航空器部件以满足航空制造需求。快速、精准、可靠、经济，德国KSA公司已成为喷丸技术领域的引导者。
       多年来KSA与空客建立合作关系，早期为空客制造A310机身壁板，在2001年实现对A380激光焊机身壁板的喷丸成形和校形，并与Baiker公司联合为空客研制出当时世界上喷丸室最大的数控喷丸成形设备。
       数字化喷丸成形是以数字量形式描述零件及其喷丸成形全过程，并将各阶段形成的数据统一管理起来的先进成形技术，比较成功的范例即是德国KSA公司提出的自动化喷丸成形技术。
       2.Straaltechniek国际公司
       Straaltechniek国际公司是全球少数几个同事设计和生产自动化喷丸以及高端喷砂设备的公司。Straaltechniek国际公司在个性化量身订做和定向配置机器方面非常灵活，并且尽最大可能满足消费者的需求。公司可以在全球范围内提供喷丸加工设备，并建立了完整的销售和服务网络。Straaltechniek国际公司主要专注于航空航天工程行业，主要目标是发掘高端金属制造行业的潜在客户。
       其他知名公司还有日本TOYO SEIKO公司、Metallizing Equipment公司、SOCIETATEA COMERCIALA公司等等。
       九、展望
       对于喷丸成形技术，其发展趋势主要有以下几点：
       1.喷丸成形对象和大型化，需要更大型喷丸成形设备及相应喷丸成形技术
       2.喷丸成形结构复杂化，要求更大的喷丸变形量
       3.喷丸过程智能化，最大限度地把人力从繁杂的喷丸工艺过程中解放出来、提高喷丸质量和效率，而现代科技发展与进步使喷丸过程智能化的逐步实现已经成为可能。