噴丸技術(shù)的本質(zhì)是對金屬材料或具備一定塑性的非金屬材料的一種表面冷加工過程，是常用的表面強(qiáng)化工藝方法，目的是增強(qiáng)零件的耐磨性、抗疲勞性和耐腐蝕性。由于噴丸設(shè)備成本低、操作簡便以及加工靈活，因此在機(jī)械制造行業(yè)得到了非常廣泛的應(yīng)用。文章主要介紹目前國內(nèi)外常用的新型有益于將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力的微粒子噴丸、激光噴丸、超聲噴丸方法，并與傳統(tǒng)機(jī)械噴丸技術(shù)相比較，闡述了新型噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的優(yōu)缺點。1、噴丸技術(shù)的發(fā)展a美國人Benjamin·C·Tylman利用蒸汽壓力所產(chǎn)生的離心力，使沙子產(chǎn)生離心力作用于金屬材料表面，發(fā)明了歷史上最早的噴丸加工技術(shù)。該技術(shù)主要是用于金屬表面的除銹作業(yè)，并不能對材料進(jìn)行成形及強(qiáng)化等加工。美國洛克希德馬丁公司的JimBoerger嘗試用機(jī)械裝置噴射鋼球，用來加工大型飛機(jī)整體機(jī)翼壁板，并且發(fā)現(xiàn)該方法相比傳統(tǒng)的鍛造技術(shù)可以強(qiáng)化諸如飛機(jī)機(jī)翼之類造型復(fù)雜的金屬部件，而不會造成零件過度變形。因此該技術(shù)很快在航空領(lǐng)域推廣開來，形成了現(xiàn)代傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化技術(shù)的雛形。美國首先在“星座號”飛機(jī)上運(yùn)用了噴丸成形技術(shù)，用于加工機(jī)翼的整體壁板。這說明噴丸技術(shù)不僅可以用于零件材料的局部強(qiáng)化，還可以直接用來對零件毛坯進(jìn)行成形加工。這一技術(shù)終結(jié)了過去飛機(jī)制造中制造復(fù)雜造型零件只能依賴鉚接和人工鍛打的歷史，不僅大幅提高了生產(chǎn)效率，而且還使得飛機(jī)的可靠性和極限載荷有所提升。為了解決飛機(jī)機(jī)翼整體壁板加工過程中無法提供設(shè)計所需預(yù)應(yīng)力的問題，美國人率先采用了預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)。該技術(shù)的原理是先用夾具在板坯上施加彈性應(yīng)力，再對其進(jìn)行噴丸成形。相比傳統(tǒng)的噴丸成形方法，預(yù)應(yīng)力噴丸技術(shù)不僅克服了機(jī)翼內(nèi)加強(qiáng)筋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)所帶來的局部應(yīng)力集中的問題，還大幅提高了噴丸成形的成形極限。這一技術(shù)使得制造超臨界機(jī)翼、機(jī)身成為可能，一些超音速，甚至2~3倍音速的先進(jìn)飛機(jī)開始進(jìn)入人們的視野。我國近年來開始了超臨界機(jī)翼整體壁板的噴丸成形技術(shù)實驗，并在國產(chǎn)大型戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)Y-20的研制過程中首次使用了整體噴丸成形技術(shù)。這使得我國成為世界上第一個掌握整體噴丸成形技術(shù)的國家。2、幾種新型噴丸技術(shù)介紹目前，國內(nèi)外的傳統(tǒng)噴丸方法有3類：內(nèi)孔噴丸、氣動噴丸、干/濕噴丸等。內(nèi)孔噴丸技術(shù)是在噴嘴運(yùn)動機(jī)構(gòu)上安置噴嘴組件，搭配合適的噴丸軟管和控制箱進(jìn)行工作。氣動噴丸是彈丸在經(jīng)過壓縮空氣的驅(qū)動后，經(jīng)噴管加速后噴射到零件表面，使零部件表面產(chǎn)生彈塑性變形，表層在受到擠壓作用后產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而達(dá)到提高零件抗疲勞性能的目的。干/濕噴丸強(qiáng)化的方法目前廣泛受到國內(nèi)外研究者的青睞，Xu等研究發(fā)現(xiàn)，在噴丸強(qiáng)度為0.4mmN的條件下，濕噴丸可以在硬化層深度為25μm處引入943.9MPa的殘余壓應(yīng)力，干噴丸在同等噴丸強(qiáng)度下的殘余壓應(yīng)力為1191.5MPa，硬化深度可達(dá)33μm。除去傳統(tǒng)噴丸技術(shù)，市面上也有多種新型噴丸技術(shù)，比如微粒子噴丸、激光噴丸和超聲噴丸、高壓水噴丸等。2.1高壓水噴丸技術(shù)高壓水噴丸技術(shù)是利用高壓水或氣穴無彈丸噴丸來對零件材料表面進(jìn)行冷加工的表面硬化處理方法。董星等在水射流噴丸強(qiáng)化的實驗研究中指出2A11鋁合金和45鋼噴丸疲勞試樣比未噴丸疲勞的疲勞壽命分別提高1.74和2.67倍。再之該技術(shù)的加工介質(zhì)與加工能源來源廣泛，能耗和成本都很低，而且生產(chǎn)效率也有所提高，從而解決了其他特種噴丸設(shè)備價格昂貴的問題。這些優(yōu)勢使得高壓水噴丸近幾年在民間市場的推廣速度很快，應(yīng)用前景十分廣泛。但是，曾元松等指出高壓水對金屬具有一定腐蝕性，導(dǎo)致其目前只能用于加工鋁合金等耐腐蝕的金屬材料，后續(xù)可以考慮采用高壓油或其他非腐蝕性液體代替高壓水。另外，由于其力學(xué)模型難以建立，有限元分析無法進(jìn)行，這導(dǎo)致有關(guān)高壓水噴丸技術(shù)的相關(guān)理論研究相對稀缺，只能通過實際經(jīng)驗來總結(jié)提高其強(qiáng)化及成形效率的方法。2.2.微粒子噴丸技術(shù)【2】微粒子噴丸技術(shù)與傳統(tǒng)噴丸工藝比較相似，不同之處在于微粒子噴丸技術(shù)是采用直徑更小的彈丸高速沖擊零部件表面，彈丸直徑為40~100μm。傳統(tǒng)噴丸技術(shù)雖然可以引入較大的殘余壓應(yīng)力，但是撞擊后殘余壓應(yīng)力容易發(fā)生松弛，從而導(dǎo)致抑制裂紋擴(kuò)展的效果減弱，相反微粒子噴丸可以在顯著提升齒輪疲勞性能的同時保持較大的殘余壓應(yīng)力，并且由于微粒子噴丸可以降低傳動齒輪表面的粗糙度，所以微粒子噴丸技術(shù)也顯著影響著殘余壓應(yīng)力松弛度。王文健等對傳動齒輪進(jìn)行了傳統(tǒng)噴丸和微粒子噴丸強(qiáng)化試驗，結(jié)果表明，傳統(tǒng)噴丸后的傳動齒輪表面硬度為660HV~700HV，但微粒子噴丸強(qiáng)化后的表面硬度可以達(dá)到777HV，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化后的表面硬度，這是由于在大量微小粒子高速撞擊齒輪時，粒子的一部分動能轉(zhuǎn)換為熱能，當(dāng)粒子在短時間內(nèi)重復(fù)撞擊齒輪時，會誘導(dǎo)齒輪表層晶粒細(xì)化，從而使材料得到強(qiáng)化。但是微粒子引入的殘余壓應(yīng)力層深較淺，傳統(tǒng)噴丸處理后的齒面硬化層深度約為100μm，而微粒子噴丸僅可以在30μm處產(chǎn)生硬度提升幅度較大的現(xiàn)象。這是因為動能的轉(zhuǎn)換使微粒子在碰撞時的能量較小，導(dǎo)致噴丸后產(chǎn)生的作用層較淺但應(yīng)力值較大，雖然微粒子噴丸后的殘余應(yīng)力層較淺，但對應(yīng)的齒輪表層發(fā)生的塑性變形較小，齒輪發(fā)生歪斜或者尺寸變化的現(xiàn)象較少。表面粗糙度是反映材料表面完整性的一個重要因素，微粒子噴丸技術(shù)可以有效降低零部件的表面粗糙度。齒輪的表面粗糙度越小，摩擦損失越小，膜厚比就越大，齒面大小不一的粗糙峰之間的接觸面積就越小，摩擦因數(shù)越小，疲勞壽命越長，承載能力越大。文獻(xiàn)同樣發(fā)現(xiàn)重載車輛中的傳動齒輪在噴丸前的表面粗糙度為0.44~0.95μm，傳統(tǒng)噴丸處理后的齒輪粗糙度為0.66~1.67μm，與噴丸前的齒輪表面完整性相比，齒輪斷裂的可能性顯著加大，而微粒子強(qiáng)化后的粗糙度為0.39~0.43μm，齒輪噴丸前36.8×104cyc的疲勞壽命提高了1000%，同時承載能力增強(qiáng)了30%?？梢钥闯?，與未經(jīng)過噴丸強(qiáng)化的齒輪相比，經(jīng)過粒子強(qiáng)化的齒輪的粗糙度更低，這是因為粒子強(qiáng)化的噴丸強(qiáng)化速度是傳統(tǒng)噴丸強(qiáng)化的2~3倍，同時微粒子噴丸所使用的粒子尺寸為傳統(tǒng)噴丸彈丸尺寸的1/10。因此，在強(qiáng)化齒輪表面的同時，解決了表面粗糙度較高的問題，使表面光潔度得到改善。綜上所述，通過微粒子噴丸對傳動齒輪鋼進(jìn)行處理，可以發(fā)現(xiàn)，齒面表層的殘余拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，且由于表層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力松弛程度低，所以大大降低了齒輪疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展速率。這是由于微粒子噴丸在產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的同時，降低了表面粗糙度，表面光潔度的提高較好地維持了表面殘余壓應(yīng)力的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)噴丸特征相比，微粒子噴丸技術(shù)的特別之處在于可以減緩齒輪表面殘余應(yīng)力松弛現(xiàn)象，因此微粒子噴丸技術(shù)有著能使零件表面引入松弛程度較低的殘余壓應(yīng)力和較低的表面粗糙度的優(yōu)勢，這可以更加高效地提高齒輪的表面疲勞壽命。然而微粒子噴丸技術(shù)仍存在一些不足，例如缺乏相關(guān)的數(shù)值模擬研究以及各參數(shù)間的耦合關(guān)系研究，隨著理論研究的完整和系統(tǒng)化，微粒子噴丸技術(shù)在重載車輛領(lǐng)域的應(yīng)用會更加成熟。2.3

激光噴丸技術(shù)激光噴丸是一種利用脈沖激光與材料相互作用產(chǎn)生的沖擊波壓力進(jìn)行表面改性的新技術(shù)，原理如圖1所示。圖1激光噴丸技術(shù)原理與傳統(tǒng)噴丸技術(shù)相比，激光噴丸技術(shù)的沖擊壓力較高，沖擊后形成的壓力層深度要比傳統(tǒng)技術(shù)的深度深5~10倍。由于激光噴丸是利用沖擊波來進(jìn)行沖擊的，因此激光噴丸可以對更微小的部分進(jìn)行沖擊，這是傳統(tǒng)噴丸所達(dá)不到的。最主要的是，經(jīng)激光噴丸沖擊強(qiáng)化后，零件表面不會產(chǎn)生畸變、機(jī)械損傷，且不會引起表面相變。激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)是目前比較普遍且可以替代傳統(tǒng)噴丸的新表面改性技術(shù)。激光噴丸技術(shù)可以進(jìn)一步提高抑制疲勞裂紋擴(kuò)展速率的能力以及解決疲勞裂紋失效等問題。由于激光束產(chǎn)生的光斑尺寸更精確，同時激光噴丸技術(shù)設(shè)備的參數(shù)可調(diào)，故該技術(shù)在多種宏、微觀尺度領(lǐng)域上均可進(jìn)一步深入研究。利用其工藝優(yōu)勢，可有效對溝、槽、孔等局部表面組織進(jìn)行高選擇性表面處理，具有較大的工藝靈活性。因此，激光噴丸是目前被國內(nèi)外公認(rèn)的未來有望徹底替代傳統(tǒng)機(jī)械噴丸并延長壽命的先進(jìn)綠色裝備制造技術(shù)。綜上可知，與傳統(tǒng)機(jī)械噴丸相比，激光噴丸在壓力層深、疲勞壽命、精度、耐熱度等方面都更優(yōu)，同時噴丸后的表面完整性較好，不會對齒輪產(chǎn)生機(jī)械損傷。由于激光噴丸價格昂貴，因此更多應(yīng)用于航天領(lǐng)域，在重載車輛傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用較少，與其他新型噴丸技術(shù)相比，激光噴丸的控制和檢測技術(shù)都不太成熟，這些都限制了激光噴丸工藝的應(yīng)用和發(fā)展，同時由于激光噴丸技術(shù)的難度較大、發(fā)展較晚。我國目前缺乏有關(guān)提高齒輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究，應(yīng)該在傳動齒輪成形能力和形狀精度控制等難點問題上進(jìn)行深入研究。2.4超聲噴丸技術(shù)超聲噴丸提高表面完整性的基本原理如圖2所示。圖2超聲噴丸原理其原理如下：利用高頻超聲波經(jīng)中間機(jī)構(gòu)傳遞至加工終端(多為撞針)，作用于板材表面，產(chǎn)生巨大沖擊載荷，致使金屬表層晶粒破碎、晶格及高密度位錯，從而使受沖擊板材表層金屬材料產(chǎn)生設(shè)計所需的塑性變形和殘余應(yīng)力分布。在此過程中，沖擊針頭的運(yùn)動方向和速度均可控，因此超聲波噴丸能夠解決零部件表面殘余壓應(yīng)力層厚度過低的問題。此外，超聲噴丸所使用的彈丸數(shù)量較少，可以進(jìn)行循環(huán)使用。20CrMnTi鋼作為一種新型滲碳材料，廣泛應(yīng)用于減速器的齒輪傳動中。Kulekci等和Liu等分析了超聲噴丸后重載車輛齒輪表面的殘余壓應(yīng)力深度，結(jié)果顯示，超聲噴丸獲得的殘余壓應(yīng)力深度是傳統(tǒng)機(jī)械噴丸后深度的2~4倍，表面強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，耐磨性、耐腐蝕性、強(qiáng)度和韌性也都得到了提高。Shi等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過超聲噴丸后，傳動齒輪的顯微硬度明顯提高了20%，同時可以達(dá)到300μm的硬化層深度。文獻(xiàn)使用超聲沖擊對汽車滲碳齒輪進(jìn)行了強(qiáng)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硬化后，滲碳層中的晶粒細(xì)化，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕雀叩鸟R氏體。與未噴丸處理相比，滲碳層的壓縮殘余應(yīng)力顯著增大，表面顯微硬度從724HV提高到992HV。超聲噴丸還可以彌補(bǔ)表面粗糙度大的缺陷。齒輪的耐磨性和傳動能力的提高取決于傳動系統(tǒng)中齒輪的表面粗糙度。通常傳動齒輪經(jīng)過傳統(tǒng)噴丸后，沖擊速度過高，彈丸自身因撞擊而產(chǎn)生破碎，這終將導(dǎo)致齒面的粗糙度過大，但是超聲噴丸使用的沖擊介質(zhì)不僅有硬度較高的鎢碳鋼彈丸，還有不同曲率半徑的鋼質(zhì)撞針等。此外，由于超聲噴丸技術(shù)對沖擊介質(zhì)的速度要求不高，且彈丸或撞針沖擊至零件表面時的速度也不會過高，因此導(dǎo)致噴丸處理后的傳動齒輪表面粗糙度下降。研究表明，經(jīng)過超聲噴丸后，重載車輛傳動齒輪齒面的低周疲勞強(qiáng)度可以增強(qiáng)50%左右，同時，疲勞壽命提高了30~35倍。Ramos等研究發(fā)現(xiàn)，對齒輪進(jìn)行超聲噴丸處理后，其表面光潔度大幅度提高，表面粗糙度減小，可以避免噴丸產(chǎn)生的裂紋問題，進(jìn)而使表面質(zhì)量提高。3、綜述綜上所述，與超聲噴丸技術(shù)相比，微粒子技術(shù)的操作流程更接近于傳統(tǒng)噴丸，因此對微粒子噴丸的研究重點已經(jīng)從普通的力學(xué)分析轉(zhuǎn)換至噴丸參數(shù)的優(yōu)化，同時微粒子噴丸技術(shù)所使用的彈丸直徑細(xì)小，對降低表面粗糙度的效果更為顯著。與激光噴丸相比，微粒子噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力數(shù)值和層深都較低，但是激