预应力喷丸：铝合金预应力超声喷丸成形件表面层性能分析

自由状态下，喷丸成形过程易发生球面变形，而实际需要的零件外形往往不是球面，预应力喷丸成形能改善喷丸球面变形趋势。本文研究工艺参数变化对表面层性能影响规律，对预应力超声喷丸应用于实际生产具有重要意义。 

2 预应力超声喷丸机理 

预应力超声喷丸用预弯夹具将板材固定。撞针连续撞击板材表面，在板材的受冲击表面产生应力，夹具移除后，边界条件改变，残余应力促使板材沿撞针冲击反方向弯曲。 

3 预应力超声喷丸试验 

3.1 试验件及预应力夹具 

将试验件固定在预弯夹具上，控制其曲率半径实现不同预弯曲率。预应力喷丸成形施加弹性预弯不超过材料 σs。预弯曲率应满足下式：

式中：ν——泊松比，E——弹性模量；h——试验件厚度；σs——材料屈服强度。方程得到 2.5mm 厚度试验件弹性极限预弯曲率半径为 260mm，本次试验中，预弯曲率半径分别取 400mm、800mm、1200mm，保证试验板件为弹性预弯。 

试验材料采用 2024-T351 铝合金，力学性能如表 1 所示，试验件尺寸为：120mm×50mm×2mm。 

3.2 试验过程 

预应力超声喷丸成形工艺参数如下：撞针速度为3m/s、4m/s、4.5m/s、5m/s，撞针直径为 2mm，3mm，5mm，进给速度为 0～4000mm/min，预弯曲率半径为 400mm、800mm、1200mm，成形轨迹间距为0.4mm、0.8mm、1.2mm。 

4 试验结果与分析 

4.1 表面形貌 

图 1 为不同偏置距离预应力超声喷丸成形表面形貌。由图 1a 可以看出，未喷丸试验件表面加工痕迹清晰可见，当偏置距离 d=1.2mm 时，试验件表面加工痕迹还未被喷丸凹坑完全覆盖，凹坑间重叠区域相对较小，表面粗糙度值较大。随偏置距离减小，单位面积内受撞次数增多，凹坑间重叠加剧，初始状态下的加工痕迹完全被覆盖，并形成较低波峰，对比图1b～图 1d 发现，采用较小偏置距离，表面形貌较好。

图 2 为不同预弯曲率半径喷丸成形试验件表面形貌，由图可知，预弯曲率半径减小，凹坑间挤压减弱，表面趋于平整。

4.2 表面粗糙度 

表面粗糙度对零件耐磨性、耐腐蚀性及疲劳强度有重要影响。超声喷丸时，撞针撞击方向与受喷零件表面保持 90°，使得零件表面受撞更为均匀，成形零件表面凹凸起伏相对较小，其表面粗糙度值较传统机械喷丸较小。 

 图3 为预应力超声喷丸工艺参数对工件表面粗糙度 Ra 的影响。可以看出：预应力超声喷丸增加零件表面粗糙度值。表面粗糙度随撞针速度增大而增大，撞针速度增大导致作用在试验件表的冲击力增大；表面粗糙度随偏置距离增加而急剧增加，偏置距离较小时，轨迹偏置方向上凹坑分布更为均匀，相邻轨迹线上凹坑区域受到重复撞击，重叠量变大，轮廓被进一步压实，试验件表面波峰和波谷起伏降低，故粗糙度值低。偏置距离为 1.2mm 时，表面粗糙度达到 5.34μm，故在实际加工中不宜采用较大偏置距离；撞针直径增加，表面粗糙度在一定程度上增加，影响较小。

通过上述分析，较大的预弯曲率，较小的撞针速度、撞针直径和偏置距离下，可以获得较小的表面粗糙度。

4.3 显微硬度 

零件表面硬度是强度计算和预估疲劳寿命的重要依据。超声喷丸成形过程中，表层受冲发生塑性变形，晶格发生较大剪切滑移，位错密度大幅度提高。位错密度增加导致晶粒尺寸降低，从而在受喷板材表面产生硬化层。在硬化层内，硬度值随着深度的增加而减小。

图 4 所示为显微硬度提高，产生硬化层，约350μm；预弯曲率、撞针速度和偏置距离对显微硬度影响较大。

如图 4a 所示，预弯曲率半径 0.4m 相对于预弯曲率半径∞时显微硬度增加 6%，由图 4b 可知，显微硬度分布随撞针速度增加而增加，撞针速度 5m/s 相对3m/s 的显微硬度增加 3.2%；偏置距离增大显微硬度减小，偏置距离 0.4mm 相对 1.2mm，显微硬度降低7%。表面层显微硬度增大受制于材料塑性变形程度。超声喷丸前，施加的预应力在试验件内部产生拉应力，使得喷丸后产生更大的残余应力场，位错密度增大，从而提高表面硬度。撞针速度增加使得冲击力增大，材料表面产生塑性变形；偏置距离减小使得单位面积上冲击次数增多，塑性变形提高。

4.4 残余应力 

超声喷丸后材料表层诱导产生残余应力场是目前公认提高表面层性能的主要因素。图 5 所示为预应力超声喷丸成形件残余应力分布，由图中可以看出预应力超声喷丸在成形件内产生数值较大、分布呈梯度形式的残余应力场。如图 5a 所示，预应力超声喷丸较自由状态超声喷丸能够使表面残余应力减小，残余应力深度增加。由图 5b 和图 5d 可以看出，撞针速度增加和偏置距离减小，残余应力以及其深度增加。撞针直径对成形件残余应力分布影响较小。 

由以上分析可知，在较小预弯曲率半径和较大撞针速度、较小偏置距离下，能够得到较大的残余应力。

4.5 半高宽

图 6、图 7 分别为不同预弯曲率和偏置距离下半高宽变化，由图可知撞针直径和速度对半高宽无明显影响。经超声喷丸的试验件，半高宽显著增大。深度在 100μm 时，半高宽基本不再变化。预应力超声喷丸使半高宽增加的主要原因是冷作硬化程度上升及位错增殖。偏置距离减小，单位面积内冲撞次数、塑形变形次数增加，冷作硬化上升，半高宽增加。

4.6 分析与讨论 

分析预应力超声喷丸工艺参数对上述表面层特征影响可知，预应力和偏置距离对表面完整性有较大影响。预应力不仅降低表面粗糙度，提高残余应力，对显微硬度也有明显影响；撞针速度增加可获得更大残余应力和显微硬度，也会造成粗糙度增加；撞针直径对表面完整性影响较小。

5 结束语 

a. 喷丸后试验件表面粗糙度增大，预应力在一定程度改善表面粗糙度，在较小偏置距离、撞针速度、撞针直径和较小预弯曲率半径条件下，可获得较低表面粗糙度。

b. 预应力超声喷丸使成形件表面产生硬化层；深度增加显微硬度减小。

c. 预应力超声喷丸较自由状态超声波喷丸能使表面残余应力减小。

d. 喷丸后表面层半高宽数值增大，深度在100μm 左右，偏置距离对半高宽影响明显。