（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安，710089）
摘要：本文首先对超声波喷丸技术的特点进行了分析；其次，开展超声波喷丸校正参数与曲率之间的关系试验，试验表明，喷丸时间和冲击振幅均与成形曲率成正比，进一步结合回归计算，获得了喷丸时间对弦向喷丸校正的敏感性结论，最后，以大型蒙皮壁板零件零件为例，详细阐述了应用超声波喷丸技术进行变形校正的具体过程，以供参考。
关键词：超声波喷丸技术；大型零件；变形校正；试验设备
引言：喷丸处理是一种得到了广泛应用的表面强化工艺，其原理在于：在工件的表面使用弹丸进行高速撞击，并使得残余的压应力“植入”工件，从而提升工件疲劳强度。按照加工类型进行划分，喷丸处理属于冷加工工艺。超声波喷丸技术与普通喷丸技术的区别在于，将超声波振动转化为机械振动而形成冲击载荷，将之作用于工件表面，目的在于实现强化零部件的性能或使其按照预期目的“成形”。
1.超声波喷丸校正技术原理
超声波喷丸技术与普通的喷丸技术在工作原理上大同小异，但其优越性更高。主要原理为：图1所示，在金属板材等大型零件的表面处，通过撞针进行“撞击”，之后，零件表面及下层的材料必然出现塑性变形，此种形变的力度将会逐渐向下延伸。由于撞击而产生的振动现象将会持续存在，并且逐渐使零件产生一种“需求型”形变，并不断向受到喷丸的零件表面凸起处“移动”，最终使“非预料性的形变”在“二次形变”的作用下，渐渐恢复到原始形态，从而完成“变形校正”。在此过程中，撞针撞击大型零件的表面后，必然生成“凹坑”，原理与“硬度实验”中试用钢球挤压物体表面，使部分材料出现塑性形变的过程较为相似：首先，撞击地区出现形变现象后，被撞物体的表面积将会短暂地增大，从而在沿着零件表面的方向生成一种压应力。其次，随着撞击行为的持续进行，“凹坑”的数量必然逐渐增加，相互之间的压痕不断重叠，使得凹坑深层（此时为零件的凹形表面）出现延伸。再次，在喷丸作业的影响下，零件的表面积逐渐增加，但零件内物质的总量并未改变，当二次变形数量达到一定程度后，零件的内部应力将会重新分布，从而使第一次的“非预料性形变”恢复到原来的状态。最后，若要高质量地完成变形校正作业，还需对喷丸处的残余压应力进行处理，避免其再次造成形变。
图1 喷丸撞击及变形过程
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。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。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。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。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[1]。
2.超声波喷丸校正的试验探究
2.1试验设备的选择
目前常用的超声波喷丸设备由超声波发射器、换能器、变幅杆等组成，方便携带。其工作原理为：首先，超声波发射器能够将常见的220V的交流电转换成超声频的电震荡信号；其次，在变幅杆的作用下，震荡信号的频率被放大；再次，经由换能器转换成一种频率相同的机械性振动；最后，此种机械性震动再次通过变幅杆，放大振动频率后，传递至前端工作区，控制硬质合金钢撞针按照既定的速度、携带一定的能量撞击大型零件[2]。
2.2试验件设计
超声波喷丸处理过程中主要使用的撞针由上文所述的硬质合金钢材料制成。硬质合金材料撞针的硬度为63HRC，直径为3mm。
试验件选择2种材料（2024-T351和7B50-T7751）两种不同截面尺寸的单筋件，单筋件长度均选择500mm。其结构尺寸见图3。表1和表2分别为两种材料的化学成分和力学性能。
图3 两种不同结构的实验件尺寸示意图
2.3超声波喷丸参数与曲率关系试验
使用超声波喷丸技术进行大型零件变形校正作业时，起决定性作用的参数为喷射时间、撞针直径、冲击振幅等。本试验选用的硬质合金材质制成的撞针直径为φ3mm，冲击振幅60%~90%之间，上下变化幅度均不超过1kHz，喷丸的角度（撞针撞击大型零件表面的方向与零件表面之间的角度）为90°。本文主要围绕不同喷丸时间和冲击振幅下的成形曲率开展研究。
试验分析：从图4和5可以看出，超声波喷丸试验中，弦、展向成形曲率半径均与冲击振幅和喷丸时间成负相关，即冲击振幅和喷丸时间增大，弦、展向曲率半径均随着减小。通过对2024-T351和7B50-T7751两种不同材料进行对比，发现相同结构、相同喷丸参数下2024-T351铝合金可获得比7B50-T7751铝合金小的曲率半径，此结果也符合实际生产加工经验，与两种材料的性能差异有关，2024-T351铝合金屈服强度低于7B50-T7751铝合金，因此可以获得更小的曲率半径，成形出更大的曲率外形。对冲击振幅和喷丸时间二者与成形曲率之间的关系进行比较发现，振幅与弦、展向曲率之间的关系曲线较喷丸时间与弦、展向曲率之间的关系曲线平缓，也就是说改变喷丸时间比改变振幅容易获得较大的曲率，因此，实际生产中往往是通过控制喷丸时间来达到所需曲率的[3]。
图4 冲击振幅与弦向和展向（右图为展向）喷丸曲率半径之间的关系
图5 喷丸时间与弦向和展向（右图为展向）喷丸曲率半径之间的关系
2.4超声波喷丸校形失稳鼓动控制试验
超声波喷丸比传统数控机床喷丸应力层深度大，若校正参数选择不当，极易引起零件薄区域应力集中，最终导致零件失稳鼓动，影响超声波喷丸局部失稳原因很多，主要原因为局部区域外形曲率发生不可逆的突变。因此，针对超声波成形曲率的控制因素进行研究十分必要。
超声波喷丸成形曲率因素主要有：喷丸振幅，喷丸时间，撞针直径，典型结构件初始外形曲率。确定多元线性回归函数关系为：
（1）
式中， 
—常系数；
f —冲击振幅；
K’ —典型结构件的初始外形曲率；
T —喷丸时间。
利用spss软件线性回归分析模块，进行典型试验件喷丸工艺参数和成形曲率线性回归分析。为保证典型试验件弦向测量值准确性，我们在长度方向取5个点进行分析计算，得到线性回归方程为：
弦向曲率回归方程：
展向曲率回归方程：
综上所述，通过回归方程可以得到以下规律：
（1）超声波喷丸弦、展向成形曲率大小，与喷丸振幅、喷丸时间、初始外形曲率有直接关系，但弦向成形曲率影响远远大于展向成形曲率，与实际工程相符；
（2）超声波喷丸弦向成形曲率分析，当K和f增幅相同时，喷丸时间T对最终喷丸成形量的影响较大，工程实践中，有限区域内不断延长喷丸时间，能够导致局部区域变形量过大，造成不可逆转的应力集中，结构件失稳变形；
（3）超声波喷丸局部失稳关键参数为“喷丸时间”。即有限局部区域内超声波喷丸时间不易过长，否则，当局部残余压应力值大于材料临界屈曲压力，就会产生结构件失稳状态，最终导致产品报废。
3.超声波喷丸技术在大型零件变形校正中的实际应用
目前实际工程中，大型机翼壁板第一次机床喷丸成形以后，均会采用超声波在外形检验工装上进行喷丸校正。通过试验可知，在合理的冲击振幅下调整喷丸时间可以获得更为理想的曲率外形[4]。具体校正实例如下：
3.1可随时根据工装检测结果反馈校正效果
壁板喷丸成形完成后合格与否一般将在外形检验工装上进行检测，如图6所示，因此，在工装上采用超声波进行局部区域的成形和校正是十分便利的，可以随时进行外形检测，及时调整校正方法和区域，极大的提高了壁板加工的效率。超声波喷丸校正的灵活性和自主控制性便显得十分必要。
图6 壁板在外形检验工装上
3.2采用超声波喷丸在预应力状态下对难成形区域进行喷丸成形
对于某些大相对曲率的机翼壁板，往往存在一些区域成形难度极大，一般而言，小区域理论要求外形曲率较大，在机床上无法一次完成该区域的成形。目前实际工程中对该种区域采用预应力状态下的超声波喷丸成形，可以获得较好的成形效果。
3.4根据校正零件厚度合理选择校正参数
喷丸振幅越大，喷丸产生的压应力也越大，当对零件薄区域进行校正时，对内外表面反复喷丸后，内外表面残余压应力层深度之和基本接近零件的厚度，零件内外应力失稳，最终发生鼓动变形。实际工程中参考以下原则：
（1）2mm以下的薄区域禁止采用超声波进行喷丸校正；
（2）超声波喷丸校正过程中快速移动枪头，禁止在同一位置反复校正，覆盖率不超过80%，避免内外表面反复校正。
4.结论：
1.超声波喷丸成形曲率与喷丸时间和冲击振幅均正正比，但调节喷丸时间可以获得更大的成形曲率。
2.相同的喷丸参数下，2024-T351铝合金比7B50-T7751铝合金可以获得更大的成形曲率；
3.超声波在薄壁零件的校正中，喷丸时间较为敏感，较长时间喷丸容易导致零件失稳鼓动；
4.超声波在大型壁板类零件的校正中操作灵活便捷，喷丸应力层深度大，校正能力强，局部难成形区域在预应力状态下可以获得更好的校正效果，但须避免局部反复长时间喷丸。
参考文献：
[1] 张炜，曹亮，高国强，等．国内外航空喷丸技术与装备发展[J]. 航空制造技术，2013（17）：32～35 ．
[2]关艳英,王治业,鲁世红,等.基于正交试验的超声波喷丸成形工艺参数分析及弧高值预测[J].宇航材料工艺,2018,48(02):7-12.
[3]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.
[4] Guo Chaobo, Hu Shengsun, Wang Dongpo, Wang Zhijiang. Finite element analysis of the effect of the controlled parameters on plate forming induced by ultrasonic impact forming (UIF) process[J]. Applied Surface Science, 2015, 353: 382-390.
[5] 刘海英．超声喷丸强化机理的研究[D]．太原：太原理工大学，2008．
[6] 张炜, 刘立彬, 夏明莉, 王永军, 肖旭东, 何俊杰. 机翼缘条喷丸强化变形模拟与参数优化[J]. 航空制造技术. 2016.17: 28-32.
[7] 王仁智, 汝继来. 喷丸强化的基本原理与调控正/切断裂模式的疲劳断裂抗力机制图[J]. 中国表面工程. 2016, 29(4): 1-9.
