喷丸技术是一种工业中常用的表面强化工艺，传统喷丸技术的基本原理是利用发射装置发射大量高速弹丸反复冲击金属材料或其他具备一定塑性的非金属材料的表面，使其产生塑性变形或者内部应力从而发生改变的加工方法。其本质是一种冷加工过程，目的是增强零件的耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性。目前喷丸技术按具体用途可分为喷丸强化与喷丸成形两种，因其设备成本低、操作简便以及加工灵活，使其在机械制造行业得到了非常广泛的应用，近几年国内外又诞生了很多喷丸技术的新方法和新设备，进一步拓宽了喷丸技术的应用领域和发展前景。

喷丸技术的发展

美国人Benjamin·C·Tylman利用蒸汽压力所产生的离心力，使沙子产生离心力作用于金属材料表面，发明了历史上最早的喷丸加工技术。该技术主要是用于金属表面的除锈作业，并不能对材料进行成形及强化等加工。

美国洛克希德马丁公司的Jim Boerger尝试用机械装置喷射钢球，用来加工大型飞机整体机翼壁板，并且发现该方法相比传统的锻造技术可以强化诸如飞机机翼之类造型复杂的金属部件，而不会造成零件过度变形。因此该技术很快在航空领域推广开来，形成了现代传统喷丸强化技术的雏形。

美国首先在“星座号”飞机上运用了喷丸成形技术，用于加工机翼的整体壁板。这说明喷丸技术不仅可以用于零件材料的局部强化，还可以直接用来对零件毛坯进行成形加工。这一技术终结了过去飞机制造中制造复杂造型零件只能依赖铆接和人工锻打的历史，不仅大幅提高了生产效率，而且还使得飞机的可靠性和极限载荷有所提升。为了解决飞机机翼整体壁板加工过程中无法提

供设计所需预应力的问题，美国人率先采用了预应力喷丸技术。该技术的原理是先用夹具在板坯上施加弹性应力，再对其进行喷丸成形。相比传统的喷丸成形方法，预应力喷丸技术不仅克服了机翼内加强筋等复杂结构所带来的局部应力集中的问题，还

大幅提高了喷丸成形的成形极限。这一技术使得制造超临界机翼、机身成为可能，一些超音速，甚至2~3倍音速的先进飞机开始进入人们的视野。

我国近年来开始了超临界机翼整体壁板的喷丸成形技术实验，并在国产大型战略运输机Y-20的研制过程中首次使用了整体喷丸成形技术。这使得我国成为世界上第一个掌握整体喷丸成形技术的国家。

喷丸强化技术

喷丸强化的主要作用是增加零件的疲劳寿命。王建明等[1]指出影响疲劳寿命的一个主要因素是外部载荷的周期性变化导致材料内部裂纹的拓展，从而使零件发生疲劳断裂。喷丸强化的原理是通过喷丸冲击给材料内部施加一个预应力，以抵消一部分外载荷，从而达到减小应力的周期性变化增加零件疲劳寿命的目的。喷丸强化的本质仍然是锻造工艺，只不过锻造效率要比传统锻造工艺高，成本更低，也能够锻造一些复杂造型，灵活方便。喷丸强化大致分为一般喷丸和预应力喷丸两种方法。前者是指材料在自由状态下，用喷丸打击处理，使之产生内部应力，从而抵消一部分外载荷，达到延长疲劳寿命的目的。后者是指材料在处理前，先用夹具对其施加一个相反的外载荷，产生相反的预应力，再对其进行喷丸处理，使预应力留在材料内，从而大幅抵消外载荷，以达到延长疲劳寿命的目的。

辛立正[2]利用阿尔门测试法对试样进行了大量对比实验，指出增加介质尺寸将产生较高的强度并且需要较长的喷丸时间。为达到饱和度，需要延长喷丸时间，因为当增加介质尺寸，在给定的喷丸流速下，弹丸颗粒数将减少。当增加介质硬度时，将产生较高的弧高值。在一个气动系统中增加喷丸速度将减少达到饱和度需要的时间，速度越快，强度越高。弹丸流反跳角度越大，喷丸强度越高。喷射压力越大，介质尺寸越大，能达到的喷丸强度值就越高。因此在一定范围内喷丸时间越长，强化程度越高。

刘天琦等[3]从微观角度具体分析了喷丸强化的机理。文中采用了一种强度高、韧性良好但疲劳强度对应力集中敏感的低合金超高强度结构钢来进行实验，通过电子显微镜来观察喷丸前后试样的晶粒排布变化，发现喷丸强化能使钢表面组织晶粒发生塑性变形，晶格发生畸变，出现了马氏体“有效晶粒”现象，从而使得材料的疲劳抗性提高。

喷丸成形技术

喷丸成形的原理是利用喷丸打击使材料发生屈服变形，从而改变材料形状的成形工艺。由于大型飞机机翼壁板有重量限制及复杂的结构和较高的力学设计指标，不适合采用过时的分段铆接技术，需要对机翼壁板进行一次性整体成形加工。研发新的模具和设备进行整体成形加工很显然不切实际，利用喷丸技术进行整体喷丸成形加工便成为理想的选择。李国祥[4]指出：喷丸成形的优点在于它不需要成形模具，可以加工超大尺寸的零件，而且喷丸成形过后还能增加零件的疲劳强度，改善零件的整体力学性能；此外，喷丸成形还能构造一些结构复杂却符合空气动力学的零件造型，这些优点使得其在航空制造领域有着非常广泛的应用。

胡宗浩等[5]介绍了一种基于激光喷丸技术和蠕动时效成形方法的大型机翼壁板喷丸成形工艺。由于机翼壁板带有大量加强筋，传统成形工艺容易产生应力集中、变形不均、失稳、扭曲和开裂等问题。喷丸成形则与传统的拉伸成形不同，它是一种小曲率成形工艺，可以对零件不同部位采取不同程度的精细加工，从而改善加强筋部位应力集中的现象。

缪伟[6]针对喷丸成形中都有哪些因素在影响喷丸成形效率这一问题进行了研究，他利用有限元分析的方法分析了有无加强筋、撞针速度和撞针直径对喷丸成形效率的影响，最后通过对比理论数据与实验数据得出结论：有加强筋比无加强筋曲率变化大，在一定范围内撞针速度越快曲率半径越小，撞针直径越大曲率半径越小。该研究对于改进喷丸方法，提高喷丸成形效率有着重要义。

新型喷丸技术

传统喷丸技术主要是通过设备发射钢丸、铸铁丸、玻璃丸和陶瓷丸等冲击材料表面，近几年出现的新型喷丸技术则利用了截然不同的冲击原理，产生了更好的加工效果。目前应用的比较多的是激光喷丸技术、超声喷丸技术和高压水喷丸技术。

激光喷丸技术

激光喷丸技术是利用激光束形成约为7 GPa的脉冲压力照射并穿过零件表面，从而在零件内部植入残余压应力，其目的是克服复杂造型带来的残余拉应力，其产生的残余压应力约为传统喷丸的10.4倍。黄志伟等[7]指出这层残余压应力可根据零件的造型和失效方式来植入，这对于重量敏感的设计来说，将提高零件的负荷能力。徐晓等[8]指出激光喷丸技术可以将大型飞机的机翼壁板的抗拉强度提升大约61%。同时，激光喷丸对于类似半圆孔件这类容易疲劳损伤的零件有着比传统喷丸更好的强化效果，章艳等[9]指出激光喷丸能大大降低疲劳裂纹的扩散速率，在置信度为95%时，激光喷丸后半圆孔件的疲劳寿命是未喷丸的2.8~7.2倍，远远好于传统喷丸。但是，目前激光喷丸技术还处于实验阶段，在生产加工过程中更多的处于传统喷丸技术的补充地位，

主要用于对普通热处理工件所存在的瑕疵和软点进行补充强化，无法取代目前传统喷丸技术的主导地位，王锐坤等[10]佐证了这一观点。目前激光喷丸的仿真工作已经有不少学者进行了研究，但是其采用的近似方法不够精确，与实验数据仍有较大误差，有待于提升改进。

超声喷丸技术

超声喷丸技术是利用高频超声波经中间机构传递至加工终端(多为撞针)，作用于板材表面，产生巨大冲击载荷，致使金属表层晶粒破碎、晶格及高密度位错，从而使受冲击板材表层金属材料产生设计所需的塑性变形和残余应力分布。超声喷丸的加工设备造价低廉，材料强化深度较深，产生的残余应力值较大，而且还可以使得金属材料表面获得一层厚度达到几十微米的纳米层。王治业等[11]对7075-T651铝合金进行超声喷丸，所形成的残余应力最大值为217.3 MPa，比普通喷丸增大了31.9%，而对321

不锈钢进行超声喷丸后，其表面形成了可提升其表面硬度及力学性能的约10 nm厚的纳米层。基于此特点，乔广艳等[12]论述了超声喷丸在医疗领域应用的可能性，因为超声喷丸在提高材料纳米层级的表面质量的同时还能提高零件大约50%的抗腐蚀和抗疲劳性。与激光喷丸的效果相比，超声喷丸的强化厚度是其10倍，硬度是其1.4倍。虽然超声喷丸是由撞针进行喷丸，但是由于冲击原理和加工效果与传统喷丸有很大不同，所以其仿真分析需要重新建立模型，目前研究仍存在很大空白。高压水喷丸技术

高压水喷丸技术是利用高压水或气穴无弹丸喷丸来对零件材料表面进行冷加工的表面硬化处理方法。董星等[13]在水射流喷丸强化的实验研究中指出2A11铝合金和45钢喷丸疲劳试样比未喷丸疲劳的疲劳寿命分别提高1.74和2.67倍。再之该技术的加工介质与加工能源来源广泛，能耗和成本都很低，而且生产效率也有所提高，从而解决了其他特种喷丸设备价格昂贵的问题。这些优势使得高压水喷丸近几年在民间市场的推广速度很快，应用前景十分广泛。但是，曾元松等[14]指出高压水对金属具有一定腐蚀性，导致其目前只能用于加工铝合金等耐腐蚀的金属材料，后续可以考虑采用高压油或其他非腐蚀性液体代替高压水。另外，由于其力学模型难以建立，有限元分析无法进行，这导致有关高压水喷丸技术的相关理论研究相对稀缺，只能通过实际经验来总结提高其强化及成形效率的方法。

复合喷丸及再次喷丸

复合喷丸是指结合两种或多种喷丸技术或其他加工技术的优点，克服彼此的缺点，从而使得被加工的零件获得比仅使用一种喷丸加工方法更好的力学性能的复合加工方法。例如杨湘男[15]介绍的一种基于棘突激光熔覆结合激光喷丸强化复合表面改性的方法和装置，其不仅能够改善熔覆层残余拉应力的分布，还还能够改善其表面粗糙度，达到延长零件使用寿命的目的，合适的再次喷丸周期还可以将材料的疲劳寿命提高70%以上。随着将来新型喷丸技术的不断出现，复合喷丸技术的研究空间必然会进一步拓展。