寧波材料所在高能超聲波噴丸校形工藝機(jī)理及校形示范應(yīng)用方面取得新進(jìn)展
航空航天、汽車及軌道交通領(lǐng)域的殼體、端蓋等金屬薄壁件在加工過程中，由于焊接及熱處理導(dǎo)致的變形問題非常突出，為了滿足零件精密成形要求，須多次進(jìn)行熱時(shí)效并輔以人工校正，導(dǎo)致加工周期大幅延長，生產(chǎn)效率低、成品不高，無法適應(yīng)新形勢(shì)下高端裝備高效供給的要求。因此，開發(fā)具有高效率、高可靠性和綠色環(huán)保的金屬薄壁件成形校形技術(shù)是精密機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所高能超聲波技術(shù)團(tuán)隊(duì)以大功率超聲波驅(qū)動(dòng)控制及換能器本體技術(shù)研究為基礎(chǔ)，開展了一系列面向薄壁零件形狀校正的超聲噴丸工藝機(jī)理研究，探究了超聲波噴丸處理過程中撞針的沖擊特性，建立了多殘余應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)薄壁環(huán)件形變預(yù)測(cè)模型，并闡明了殘余應(yīng)力場(chǎng)作用下薄壁環(huán)件的變形規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，利用自主開發(fā)的超聲噴丸校形裝備，完成了針對(duì)航天、汽車等領(lǐng)域薄壁零件的示范應(yīng)用。
首先，團(tuán)隊(duì)通過高速攝像機(jī)、沖擊電壓檢測(cè)系統(tǒng)等對(duì)撞針沖擊載荷、沖擊次數(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)表征；然后，建立撞針沖擊金屬材料的動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，根據(jù)沖擊植入殘余應(yīng)力規(guī)律，提出判定超聲波沖擊處理過程中有效撞針沖擊判定方法；最后，對(duì)振幅、沖擊行程及工作氣壓三個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終建立了“驅(qū)動(dòng)振幅—介質(zhì)沖擊—?dú)堄鄳?yīng)力植入”的內(nèi)在聯(lián)系，該工作為表面強(qiáng)化和誘發(fā)板料成形校形奠定了理論基礎(chǔ)（圖1）。相關(guān)成果以“Numerical and experimental studies on needle impact characteristics in ultrasonic shot peening”為題發(fā)表于超聲領(lǐng)域國際著名期刊Ultrasonics 119(2022) 106634 (https://doi.org/10.1016/j.ultras.2021.106634)。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)結(jié)合區(qū)域多撞針沖擊3D動(dòng)態(tài)數(shù)值模型與薄壁環(huán)件殘余應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)形變預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了薄壁環(huán)件超聲波噴丸處理形變預(yù)測(cè)。研究表明，單一殘余應(yīng)力場(chǎng)誘發(fā)產(chǎn)生的薄壁環(huán)件外凸變形隨壁厚的增長而逐漸減弱，隨處理區(qū)域的增大而增大，處理薄壁環(huán)件內(nèi)表面的難度略大于外表面；在多殘余應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下，薄壁環(huán)件形變的關(guān)鍵影響因素為殘余應(yīng)力場(chǎng)間分布間距；同側(cè)處理時(shí)，可制造波浪形輪廓，而異側(cè)處理時(shí)，可發(fā)現(xiàn)“形變平衡”現(xiàn)象，為局部校形提供理論依據(jù)。該部分研究工作對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)準(zhǔn)確植入、薄壁環(huán)件加工變形準(zhǔn)確校正奠定了理論基礎(chǔ)（圖2）。研究成果以“Numerical and experimental study on the deformation of aluminum alloy ring treated by ultrasonic shot peen forming”為題發(fā)表于國際著名期刊Int. J. Adv. Manuf. Tech 113(2021)2791-2804 (https://doi.org/10.1007/s00170-021-06786-0)。
團(tuán)隊(duì)利用自主開發(fā)的超聲噴丸校形裝備（圖3左），針對(duì)航天薄壁回轉(zhuǎn)體、新能源汽車電池盒、鋁合金汽車輪轂及平板模具進(jìn)行了校形試驗(yàn)，效果顯著。航天薄壁圓筒經(jīng)9min超聲校形后，圓度滿足公差±0.5mm區(qū)域達(dá)到80%，公差外區(qū)域偏差也多集中于±0.6mm附近（圖3中）；新能源汽車電池盒超差樣件超聲噴丸校形前平面度約為40mm，校形后平面度≤1mm，整個(gè)底板完成校形時(shí)間約為5min（圖3右）；鋁合金輪轂校形后，圓度誤差降低60%以上，鋼板校形后平整度顯著提高，最大變形量小于0.5mm。
以上工作成果得到寧波市“3315計(jì)劃”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（Y80929DL04）、寧波市2025科技重大專項(xiàng)（Y90922DA47）、浙江省“領(lǐng)雁計(jì)劃”科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022C01114）的資助。
圖1 撞針沖擊過程（左）；不同撞針沖擊特性對(duì)殘余應(yīng)力的影響（中，右）
圖2 （a）薄壁環(huán)件實(shí)物；（b）環(huán)件模型徑向位移云圖；（c）圓周方向不同弧度徑向位移量
圖3 （左）自主開發(fā)的超聲波噴丸處理裝備；（中）航天薄壁圓筒校形效果；（右）新能源汽車電池殼體校形效果
?。ㄏ冗M(jìn)制造所 李一飛）