近年來，隨著半導(dǎo)體工業(yè)、航空航天、醫(yī)療器械技術(shù)的發(fā)展與表面加工技術(shù)的改進(jìn)，國內(nèi)外的學(xué)者們逐漸開始對(duì)精密不銹鋼管道內(nèi)表面的加工方法進(jìn)行了深入研究，并針對(duì)表面拋光過程中出現(xiàn)的不同問題進(jìn)行了許多專題性研究。目前，對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)表面加工的方法可分為：手工拋光、化學(xué)拋光、機(jī)械珩磨拋光、磁流變光整研磨、磨粒流拋光、超聲波振動(dòng)拋光、電化學(xué)拋光及其復(fù)合加工技術(shù)。

一、機(jī)械珩磨光整技術(shù)

    機(jī)械珩磨光整技術(shù)又稱鏜磨，是采用鑲嵌在珩磨頭上的油石對(duì)管道內(nèi)表面進(jìn)行精整拋光的加工技術(shù)。于20世紀(jì)初期，珩磨光整技術(shù)被首先運(yùn)用于汽車及軍工行業(yè)內(nèi)，由于機(jī)械珩磨技術(shù)具有機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、可自動(dòng)化程度高、加工后表面加工精度高、可加工范圍廣及切削效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代制造業(yè)中。機(jī)械珩磨的主要工作部件珩磨頭外部固定有2至10根長度約為1/3至3/4管道長度的珩磨用油石。在拋光過程中，珩磨頭在精密不銹鋼管道內(nèi)既旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又往返軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過珩磨頭內(nèi)部的彈簧或液壓控制而均勻與管道內(nèi)表面的充分接觸，所以在內(nèi)表面珩磨過程中具有接觸面積較大，加工效率較高的特點(diǎn)，裝置如圖所示。

    珩磨處理后的精密不銹鋼管道內(nèi)表面尺寸精度一般可達(dá)到IT 7至IT 4級(jí)，內(nèi)表面粗糙度可達(dá)Ra 0.32μm至0.04μm。為沖去加工過程中產(chǎn)生的切屑和磨粒，改善表面粗糙度和降低切削區(qū)域溫度，操作時(shí)常需用大量切削液，如煤油或內(nèi)加少量錠子油，有時(shí)也用極壓乳化液。但由于珩磨頭的尺寸限制，該加工方法一般適用的可加工尺寸主要維持在直徑10mm至500mm甚至更大的各種圓柱孔或管道，難以實(shí)現(xiàn)較大長徑比的小口徑精密不銹鋼管道的內(nèi)表面拋光。同時(shí)，在加工過程中引入的切削液會(huì)導(dǎo)致表面材料化學(xué)成分發(fā)生變化，這在本文的研究中也是應(yīng)當(dāng)注意與避免的。

二、磁流變光整技術(shù)

    自1948年Rabinow發(fā)明磁流變液并將其應(yīng)用于離合器以來，磁流變光整技術(shù)逐漸成為研究者們?cè)诰芗庸ぜ夹g(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。磁流變液是由母液、穩(wěn)定劑、微米與納米級(jí)的磁性顆粒混合制成的懸浮液，從本質(zhì)上來說，在磁場(chǎng)作用下其固體顆粒會(huì)形成有序的結(jié)構(gòu)，在這種狀態(tài)下固體顆粒的流動(dòng)性會(huì)大大降低，流體的黏度提高。表觀上，磁流變液由液態(tài)轉(zhuǎn)化為“類固態(tài)”，也就是說磁流變液在磁場(chǎng)中具有流變性。因?yàn)榇帕髯円核哂械倪@種特殊的流變特性，使其與傳統(tǒng)的表面光整加工法相比呈現(xiàn)出了很大的柔性和可控性。采用該技術(shù)進(jìn)行拋光時(shí)，磁流變液對(duì)各種具有不同工件表明進(jìn)行光整加工的同時(shí)又不會(huì)影響工件表面的物理力學(xué)性能。磁流變光整技術(shù)是通過在磁流變液中加入粒徑為0.1μm的A1203或SiC磨料實(shí)現(xiàn)對(duì)零件表面的研磨加工，在加工過程中是通過磁流變液的流變性和外加磁場(chǎng)來提供磨料與被加工工件表面間的研磨壓力，及由于磁流變而形成的具有黏塑行為的柔性“小磨頭”，使工件表面材料被去除，進(jìn)而達(dá)到對(duì)精密不銹鋼管表面的精細(xì)拋光。

    目前日本學(xué)者對(duì)磁流變光整技術(shù)進(jìn)行了大量研究并發(fā)布了很多研究成果，其中確定并分析了對(duì)光整精度影響較大的一些因素，在實(shí)驗(yàn)室條件下制備出表面粗糙度Ra為0.04μm的鏡面級(jí)光滑表面。2006年，宇都宮大學(xué)佐藤隆史教授設(shè)計(jì)了一款采用磁流變光整技術(shù)對(duì)中小口徑的管道內(nèi)表面進(jìn)行拋光的新型磁流變液光整設(shè)備，該裝置可實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑在18mm以上的細(xì)長管道內(nèi)表面拋光，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明拋光后的內(nèi)表面粗糙度Ra可達(dá)到0.03μm。

三、磨粒流拋光技術(shù)

    磨粒流加工是利用磨粒流中微納米級(jí)的磨砂充當(dāng)切削刀具，以其堅(jiān)硬且鋒利的棱角對(duì)工件表面進(jìn)行反復(fù)切削，從而達(dá)到表面拋光的目的。在實(shí)際拋光過程中，采用兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磨粒缸來促使磨粒在零件與夾具之間來回?cái)D壓移動(dòng)，當(dāng)磨粒流均勻且漸進(jìn)的通過待加工區(qū)域時(shí)，就產(chǎn)生了去毛刺、拋光與倒角的作用。上世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家率先研發(fā)了磨粒流拋光工藝，并將其運(yùn)用于模具、汽車、航空航天及醫(yī)療領(lǐng)域中關(guān)鍵零件的倒角、去毛刺工序當(dāng)中。我國于80年代后期將該項(xiàng)技術(shù)引入到鋁型材模具拋光中，并獲得了較好的工藝效果。磨粒流拋光過程所使用的磨料是由磨粒、稀釋劑載體及油泥裝聚合物所組成。根據(jù)磨粒流中磨粒尺寸、密度及類型的不同，可適應(yīng)對(duì)不同拋光環(huán)境的需要。如采用稀釋劑多的基體，磨粒粒度小，粘度低的磨粒流可用于小截面通道的拋光。采用經(jīng)過近幾年的研究與發(fā)展，目前國內(nèi)自行研制的磨粒流介質(zhì)己可以與國際先進(jìn)水平相媲美，可替代進(jìn)口產(chǎn)品。

  自2009年以來，浙江至德鋼業(yè)有限公司通過結(jié)合磨粒流拋光工藝，設(shè)計(jì)了一種面向彎管內(nèi)表面的超精密拋光設(shè)備。該裝置由柔性鋼線、球形旋轉(zhuǎn)噴射拋光頭、夾具以及配套的工藝裝備組成，拋光頭實(shí)物圖如圖1.7所示。在拋光過程中，通過直流電機(jī)拖動(dòng)拋光頭在管道內(nèi)部進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)的同時(shí)，拋光頭實(shí)現(xiàn)繞軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而甩出拋光液，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)孔光整與精整加工。但限于拋光頭結(jié)構(gòu)，該裝置目前可實(shí)現(xiàn)的拋光管徑被限制在20mm以上，加工效果可將內(nèi)表面初始Ra 10.38μm的管道拋光至Ra 2.85μm。

四、電化學(xué)拋光技術(shù)

    電化學(xué)拋光也稱電解拋光，是利用電化學(xué)陽極腐蝕原理去除在切削加工過程中表面殘留微觀不平，以降低材料表面粗糙度與提高表面光亮度的一種方法。在實(shí)際拋光過程中，以待拋光工件為陽極，不溶性金屬材料為陰極，兩極同時(shí)浸入電解液當(dāng)中，在電流的作用下陽極表面產(chǎn)生選擇性溶解，進(jìn)而提高工件表面光潔度。對(duì)于電化學(xué)拋光的原理，世界各國的研究者們爭議頗多，目前主流的電化學(xué)拋光理論為黏膜理論。該理論認(rèn)為：在采用磷酸系電解液進(jìn)行拋光過程中，待拋光工件表面上脫離的金屬陽離子與電解液當(dāng)中的磷酸根結(jié)合，形成的磷酸鹽膜會(huì)吸附在工件表面上。在凸起處頂部的薄膜由于向電解液中擴(kuò)散的能力較強(qiáng)，因而與凹陷處薄膜相比較薄。而這種薄膜具有較大的阻抗，工件表面凸起處的電流密度較高，凸起處項(xiàng)部的溶解速度較凹陷處大。在凹陷處與凸起處，薄膜厚度的差別越大，則電流密度相差也就越明顯。隨著拋光的進(jìn)行，待拋光工件表面高點(diǎn)逐漸被去除，黏膜厚度發(fā)生變化，粗糙表面逐漸被整平。

    在2000年，浙江至德鋼業(yè)有限公司采用電化學(xué)拋光的方法對(duì)長度為40mm內(nèi)徑為9mm的316L不銹鋼管內(nèi)表面進(jìn)行拋光處理，并獲得較好的拋光效果，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，在酸性電解液環(huán)境下，通過實(shí)驗(yàn)分析了電流密度、拋光時(shí)間、電解液溫度、加工間隙及工具電極表面粗糙度對(duì)管道內(nèi)表面拋光質(zhì)量的影響并進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，最終使管道內(nèi)表面粗糙度Ra由原來的2.0μm下降至0.05μm，并達(dá)到鏡面效果。但限于該類型管道的應(yīng)用背景，該研究并未對(duì)更小直徑的小口徑不銹鋼管進(jìn)行深入的研究與分析。同時(shí)，在該項(xiàng)研究中，其使用的待拋光精密不銹鋼管的長徑比約為4，而在小口徑不銹鋼管長徑比超過10甚至更大的情況下，拋光過程中電解液濃差極化、氣泡及拋光沉淀物的作用產(chǎn)生的雜散腐蝕會(huì)更加明顯，采用該方法進(jìn)行大長徑比管道內(nèi)表面拋光的實(shí)際效果如何目前并不明確。

五、電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)

    1965年美國Monsanto公司的工程師首次提出電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的概念。該項(xiàng)技術(shù)最初被運(yùn)用于高質(zhì)量光學(xué)元器件表面拋光上，如軍用望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。自1988年開始，IBM將該項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用于DRAM的制造中，并使其在世界各地迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)純機(jī)械或純電化學(xué)拋光方法不同的是，ECMP通過電化學(xué)拋光與機(jī)械拋光的綜合性作用，避免了機(jī)械拋光后表面所存在顯微損傷和電化學(xué)拋光中表面平整度與拋光一致性低等缺點(diǎn)。在復(fù)合拋光過程中，待拋光元器件浸沒在電解液中并在表面上施加一定的電壓，隨著電化學(xué)拋光的進(jìn)行其表面氧化膜增厚，加工速度較慢。然而由于旋轉(zhuǎn)的拋光盤的作用將表層氧化膜與沉淀物去除，被拋光表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地被剝離，新鮮電解液被補(bǔ)充進(jìn)來，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光液流動(dòng)而被帶走。新裸露出的表面又發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)往復(fù)，在襯底、磨粒和電化學(xué)反應(yīng)的聯(lián)合作用下，形成超精表面。由于在拋光過程中，在表面所施加的壓力較小，其切削速率較慢，因此表面的拋光速率主要由兩極上所施加的電壓決定。

    為實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)表面的精密拋光，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所于1991年研發(fā)了如圖所示的管道內(nèi)表面電化學(xué)機(jī)械拋光裝置，這也是目前市場(chǎng)上主流的面向中小口徑精密不銹鋼管內(nèi)表面的機(jī)械電化學(xué)拋光工藝。該裝置采用了具有特殊結(jié)構(gòu)的工具電極，在彈性材料層的作用下，尼龍材料與管道內(nèi)表面得到充分接觸，提供了機(jī)械拋光過程中所需的擠壓力。但當(dāng)管道內(nèi)徑小于10mm時(shí)，電解液更新困難的問題就變得尤為明顯。在對(duì)小口徑不銹鋼管道內(nèi)表面進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械拋光過程中產(chǎn)生的大量氣泡與沉淀物被大量積蓄，導(dǎo)致拋光表面出現(xiàn)麻點(diǎn)與電蝕等缺陷。

   綜上所述，浙江至德鋼業(yè)有限公司研究人員發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于大中口徑管道內(nèi)表面的拋光技術(shù)與方法研究較為成熟。但對(duì)與小口徑精密不銹鋼管特別是內(nèi)徑小于5mm的細(xì)長管道的拋光技術(shù)與工藝研究相對(duì)較少。在分析上述表面拋光技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室條件的基礎(chǔ)上，本文將采用電化學(xué)拋光的方法對(duì)其小口徑管道內(nèi)表面進(jìn)行拋光處理。同時(shí)針對(duì)待加工管道具有長徑比大、加工過程中電解液更新困難等難點(diǎn)，對(duì)工具電極結(jié)構(gòu)及拋光裝置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。