超聲波噴丸機器人

近年來，隨著超聲波技術的發展，尤其是大功 率超聲沖擊設備制造技術的日益成熟，應用高能超聲波產生的沖擊波進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)、?高達數千瓦功率的超聲波作為能量?源，通過換能器轉換為同頻率的縱波 機械振動能量，再通過變幅桿進行放大，高能量密度的機械能沖擊波作用?于金屬表面，使金屬板料發生彎曲變 形，由此實現金屬板料的噴丸成形和?校形。由于其工藝過程和原理類似?于傳統的噴丸工藝，所以稱為“超聲波”噴丸成形與校形。

近年來，隨著超聲波技術的發?展，尤其是大功率超聲沖擊設備制造 技術的日益成熟，應用高能超聲波產?生的沖擊波進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其設備成本低、 工件性能高、適用性廣、且工藝過程 環保，在美國和歐洲一些國家的航空 航天部門已經得到了重要應用，?但我國的研究和應用尚處于起步階段。

超聲波噴丸成形與校形技術

1基本原理

超聲波噴丸技術利用高能量密度的超聲波經沖擊介質(鋼質撞針或 者彈丸)沖擊金屬材料表面，在金屬?材料表面產生遠大于材料動態屈服?強度的巨大沖擊力，從而引發材料表?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(可達納米級別)， 產生密集、均勻且穩定的位錯增殖。?與此同時，材料內部誘導產生了高幅?的殘余壓應力分布，當殘余壓應力積 累到一定程度時，板料會發生宏觀的?彎曲變形使其內部力系重新達到平衡，并形成新的內部應力分布。通過 調整超聲波噴丸的不同參數，便可以產生相應的殘余應力場分布，實現板 料光滑曲率的精密成形與校形。

2技術特點

超聲波噴丸成形和校形相較于?其他成形與校形方法，技術優勢十分明顯，主要體現在以下幾個方面。

?(1)可實現較厚板材的成形。由于其特有的高應變率效應，能夠產生幅度和深度更大的殘余壓應力場， 實現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特 的優勢。在厚度不大于22mm的鋁合金板材上可以成形和校正形狀，而 傳統機械噴丸成形則因板材太厚而 不能有效成形和校形。

(2)能實現復雜形狀工件的成 形和校形。超聲波噴丸設備結構簡?單、操作方便，能夠對復雜的結構件 (如腔體)進行局部成形處理，設備的工藝參數少(超聲波發生器的頻率、 撞針規格、振幅)，可控性好，對于不?同變形特征的成形和校形過程選取?適用的設備工藝參數，可控制金屬板 料表面的殘余應力大小和深度，從而?達到控制金屬板料表面殘余應力場?的分布，可實現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，超聲波噴丸進行成形的同時所產生的殘余壓應力是傳統噴丸及激?光噴丸的數倍，更大的殘余壓應力值 提高了工件材料的抗疲勞、抗腐蝕及抗變形的能力。

?(4)無污染。機械噴丸成形需要在每次噴丸結束后對彈丸進行收 集、清洗、分級以及破粒去除，而超聲 波噴丸成形采用的鋼質噴丸介質不 容易磨損，長時間作用磨損后也很 方便更換，是一項無污染綠色制造技 術。

(5)設備的成本低。超聲波發生器尺寸較小、能耗低，整個超聲波 噴丸裝置可做成移動便攜式，應用場 所不受限制，完全可以在車間生產線 進行現場作業。

3研究和應用進展

超聲波噴丸強化、超聲波噴丸成?形與超聲波噴丸校形統稱為超聲波?噴丸技術，是最近十幾年興起的一種?表面處理技術。超聲波噴丸強化技 術主要是利用彈丸或撞針對金屬材 料表面進行高速重復沖擊使其產生 硬化層，以達到提高金屬零件的表面?強度、疲勞壽命等目的。超聲波噴丸?校形與成形技術則是通過撞擊產生?殘余應力，迫使板料產生宏觀彎曲變 形，在材料“增壽”的同時，達到成形?與校形的目的。超聲波噴丸強化技?術相對比較成熟，已有較廣泛的應用 及研究報道，而超聲波噴丸成形與?超聲波噴丸校形研究和應用報道則?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 表面粗糙度也優于傳統噴丸。

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。結果證明了采用 撞針的超聲波噴丸工藝在材料表面 所產生的應力要大于普通超聲波噴丸。

2007年，英國謝菲爾德哈勒姆?大學的Rodopoulos等對比了數控 噴丸、激光噴丸和超聲噴丸(工具頭為撞針)3種方式對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生殘余壓 應力，應力幅值為220MPa左右。前?兩種方式在距離表面100—300um處能產生更高和更均勻的殘余壓應力， 而超聲噴丸在距離表面0.14~1.1mm?處產生的殘余壓應力更好。激光噴丸和超聲噴丸產生的最大殘余壓 應力層為1.6mm左右，數控噴丸為?1.1mm。(2)數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控噴丸，?其峰值存在于距離表面150um處。 而激光噴丸產生的影響較小，可忽 略。(3)數控噴丸對于表面粗糙度?提高了18%，激光噴丸7%，超聲噴 丸8%。結果表明，材料經超聲波噴 丸后具有最好的綜合機械性能。

1996年法國SONATS公司開始 了超聲波噴丸技術的研究，1999年 開發出第一套超聲波噴丸設備及其 相應的超聲波噴丸工藝，目前已推 廣應用于航空航天、造船及汽車等 行業。SONATS公司對機翼蒙皮局 部變形進行了矯形處理(如圖l所 示)用。

2001年，KSA公司著手研發了?7軸數控噴丸設備，并在之后與空中?客車公司合作的A380、A318/A340 等諸多項目中發揮了重要作用。發?展至今，已經成為國際上飛機大型板 件成形的先進工藝技術，但同時由于 飛機壁板這種成形對象的尺寸過大、?材料屬性的不均勻和加工硬化等無?法精確預測或在線預測的因素影響，?數字化噴丸成形后的航空結構件仍?舊需要使用便捷、靈活的超聲波噴丸?進行局部成形和校形，KSA公司提?出了采用超聲波噴丸成形和校形技術。

美國Integty?Testing Laboratory公司與法國SONATS公司同時提出了采用機械手臂進行數控超聲波噴丸成形的技術。圖2為IntegrityTestLab公司研制的機械手臂數控超聲噴丸成形設備,率先推進了超聲波噴丸成形和校形設備的數控化。

中航飛機股份有限公司西安飛機分公司與南京航空航天大學聯合開展了C919飛機機翼整體壁板超聲波噴丸成形和校形工藝驗證研究,在3-22mm超硬鋁板上進行超聲波噴丸成形和校形試驗,獲得了滿意的效果,形成了公司適用的超聲波噴丸工藝規范文件。
超聲波噴丸成形的振幅、覆蓋率以及噴丸時間等工藝參數如果選擇不當,會造成噴丸工件表面質量的變差,噴丸過度會造成疲勞壽命的下降,因此,需按照工藝規范文件進行操作和選擇工藝參數。

關鍵技術分析

超聲噴丸成形和校形技術具有很大的發展潛力,跟國外發達國家相比,目前國內在設備和相關工藝技術研究方面均剛起步。需要盡快開展超聲波噴丸成形和校形關鍵技術的研究工作。

(1)超聲噴丸效能的最優化問題。

超聲波噴丸過程復雜，涉及到機 械學、聲學、振動學、電學等諸多 學科，要想取得最佳噴丸效能， 應綜合考慮各個噴丸參數對噴 丸效能的影響。如超聲波發生 器頻率及工作功率、撞針直徑及 數量、撞針分布密度、撞針振幅、 噴丸時間等，均衡設定各個噴丸 參數，取得最佳噴丸效能是一個 值得國內外學者研究的大問題。

(2)超聲波噴丸參數和板 料成形量/校正量之間的定量 關系和殘余應力場的有效控制。

成形量和校正量是評價超 聲波噴丸成形和校形效果最直 接的指標，而塑性變形量是由殘 余應力場決定的。因此，需要通 過理論計算、試驗研究、測試以 及有限元模擬等手段建立超聲 波噴丸參數與殘余應力場的大 小和分布的對應關系，再進一步建立殘余應力場與板料成形量/校 正量的計算模型，三維殘余應力場的 獲得是值得研究的重點問題。

(3)利用有限元分析軟件對超 聲噴丸過程進行數值模擬時模型的?精確建立。

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

(4)超聲波噴丸成形和校形工 藝規劃方法與準則的建立。

通過大量的基礎試驗，研究確立 超聲波噴丸參數對成形和校形變形 規律的影響，對不同變形特征的零件 進行成形和校形的試驗和測試，分析 超聲波噴丸參數對該區域流線形態、 表面質量、成形精度、殘余內應力、疲 勞壽命的影響，得到超聲波噴丸參數 的取值范圍和適用場合，從而形成復 雜變形特征的金屬板件超聲波噴丸 成形和校形工藝的設計方法及準則。

總結和展望

(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，豐 富了板料的塑性成形與校形技術，與 傳統機械成形與校形技術相比，其執行機構輕巧、容易實現自動化控制、?板料校形能力和范圍大、表面質量?好，在航空航天領域具有廣闊的應用前景。

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

(3)結合當前超聲波噴丸成形?和校形技術的研究現狀，超聲波噴丸 技術要推廣到工程實際應用，還需要?深入地研究超聲波噴丸成形與校形工藝對材料實施成形和校形效果的研究，加強對大尺寸、大厚度復雜變形零件的應用探索，并開展預應力超聲波噴丸板料成形與校形技術。提高復雜板料變形的成形和校形能力以及精度。

通過對超聲波噴丸成形和校形技術理論和應用的深入研究，該項新技術必將具有廣闊的應用前景。

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