浙江至德鋼業有限公司針對長徑比較大的不銹鋼毛細管的高精度拋光需求,研究磨料流加工工藝的適用條件。磨料流加工工藝的關鍵參數是流體磨料的粘度,適合的粘度首先要確保磨料能順利通過毛細管,其次是有滿意的拋光效果。應用ANSYS Workbench Fluent進行流動仿真分析,輔助確定可行的粘度參數。仿真結果顯示:常用的粘度為104,105,106 mm2/s的流體磨料,無法通過毛細管;粘度低于104mm2/s的磨料能順利通過,但壓力過大,遠超過設備的安全承載極限;粘度為5.585Pa·s的磨料既能順利通過毛細管,又有較均勻的流速,入口壓力也在設備的安全承載范圍內。據此結果,研制了低粘度的流體磨料和專用夾具,并進行拋光實驗。實驗表明,在毛細管內壁獲得了滿意的加工效果。磨料流加工工藝是解決不銹鋼毛細管內壁拋光難題的有效方法。

  不銹鋼毛細管具有良好的耐蝕性、抗拉性、柔軟性、防水性以及優良的電磁屏蔽性能、耐高溫、耐磨損,被廣泛用于醫療生化儀器、自動化儀表、精密光學儀器、熱工儀表、工業傳感器、電子設備中。其中,被用作信號或線路保護管時,對毛細管內壁的表面質量要求不是很高;但被用于醫療生化儀器中時,對毛細管內壁的表面質量要求很高(R a<0.2μm),以避免掛液、介質殘留等問題,影響儀器的檢測精度。然而,不銹鋼毛細管內孔的拋光面臨兩大難題:一是不銹鋼材料機加工時具有粘刀性,毛細管結構細長難以裝夾;二是孔徑小,常規磨具無法觸及。筆者受相關企業的委托,研究不銹鋼毛細管內孔拋光難題。文獻就微小孔的后處理,從加工原理到工藝特點分析了磨料流加工、化學研磨、電解研磨、化學拋光等加工方法的適用性。化學研磨時間過長,存在晶間腐蝕問題,一種電解液只適用于一種合金工件,不具備普適性,而電解液也會對工件和環境造成污染。電解研磨是將電解加工與機械磨削加工相結合,導電的金剛石磨頭不適用于太細長的孔。電解拋光多使用靜液加工,強酸電解液對工作人員很不安全。磨料流加工是利用擠壓粘彈性的流體磨料通過工件對加工部位進行拋光和去毛刺的新工藝,拋光后的表面可達鏡面效果,已成功用于雙聯齒輪齒面、模具異形孔腔、噴油嘴噴孔、熱流道交叉孔、曲管、長管、陶瓷零件等的拋光加工。從工藝原理考慮,磨料流加工工藝可作為不銹鋼毛細管內孔拋光的首選方法。

  決定磨料流加工精度的重要因素是流體磨料的粘度、磨粒的粒度和加工時間;其中,粘度是最重要的參數[3-6]。較高的粘度會提高生產效率;較低的粘度流動性好,適用于微小孔腔的拋光,但流體磨料的綜合性能不易調控。本文通過建立不銹鋼毛細Fluent進行拋光過程的流動仿真分析,輔助確定最佳的粘度參數,這樣既可以保證磨料從毛細管中順暢通過且具拋光性能,又最大程度地降低流體磨料綜合性能的調控難度,同時還可以準確把握磨料的粘度和入口速度對流動速度、壓力變化的影響。

 一、流動模型的建立

  不銹鋼毛細管的拋光擬在臥式磨料流機床上進行。根據委托方提供的內徑為0.8 mm,外徑為1.6 mm,長為130 mm的一種不銹鋼毛細管樣件,結合磨料流加工原理,設計如圖1所示的夾具,用于固定毛細管,代替毛細管承受夾緊力,并引導磨料到達毛細管中。按照磨料流加工原理,磨料從進料缸被擠壓經夾具引導段通過毛細管,進入出料缸,再從出料缸擠壓經夾具通過毛細管進入進料缸,如此往復加工,對內壁進行拋光,直到達到表面粗糙度要求。

  實際上,被加工孔道的縫隙越小,磨料粘度越高,入口壓力升得越快越高。為了防止加工壓力超過機床的安全工作極限,利用ANSYS WorkbenchFluent進行拋光過程的流動仿真分析,為裝機實驗提供理論依據。取夾具進料口至出料口的流體磨料作為不銹鋼毛細管的磨料流加工流動分析模型,用UG建模,導出igs格式數據文件。

二、流動分析前處理

 將分析模型導入ANSYS Workbench Fluent中,劃分六面體網格,如圖2,并對磨料在毛細管中的流動做以下簡化和假設:

 1. 磨料介質滿足連續介質特性;

 2. 磨料流動是等溫定常非牛頓流體流動;

 3. 不考慮粘性耗散和重力影響;

 4. 磨料在毛細管中流動,流動具有軸對稱性。

 按照經驗,常用的軟、中、硬磨料,即粘度約104,105,106 mm2/s,密度為1400 kg/m3,很難通過毛細管。為了驗證這個推斷,首先分析這3種粘度下流動性,然后,對可調控的新磨料進行流動分析。

三、流動分析參數設置

 選擇Pressure-Based(基于壓強)求解器,求解定常流動,不考慮重力因素。模式采用標準k-e模型,離散格式采用二階迎風格式,壓力-速度耦合方式選擇SIMPLE算法,其它參數默認。

 進口邊界inlet選擇速度入口條件,速度通過機床來設定,為0.00187m/s,出口邊界outlet選擇壓力出口條件,其壓力大小為標準大氣壓,即101325Pa,其余邊界條件均設置為壁面。

四、流動分析結果與討論

  圖為3種不同粘度磨料在毛細管中流動的壓力仿真分析結果。圖為粘度106mm2/s的磨料流動的壓力分布云圖,可以看出,壓力最高達到927MPa,遠遠超出機床的安全極限(<22.4MPa),出口壓力為0.098MPa.由圖的壓力分布可以看出,粘度為105mm2/s的磨料在毛細管入口和出口出現負壓,即該粘度磨料不能通過毛細管。由圖的壓力分布可以看出,粘度為104mm2/s的磨料最高壓力為52MPa,雖然遠遠小于粘度為106cst的磨料拋光壓力,但是同樣高于機床的安全極限。仿真分析表明,常用粘度的流體磨料不適用于長徑比過大且內徑很小的毛細管的拋光,與基于經驗的推斷一致。避免了直接實驗可能造成的不安全事故。

  圖為3種不同粘度磨料在毛細管中流動的速度仿真分析結果。由圖可以看出,在磨料流動過程中,不同粘度磨料的速度變化及分布較為一致,靠近壁面處的流動速度較低,毛細管中心處的速度較高,速度分布具有軸對稱性。在出口處出現高分子材料的“離模膨脹”現象,此處壓力及速度都達到最高,同樣與基于經驗的推斷一致,容易對工件、夾具及機床造成破壞。用磨料流加工工藝拋光不銹鋼毛細管必須用很低粘度的磨料。

五、實驗

  在200目碳化硅中按質量比100∶1加入偶聯劑,經超聲振動均勻,再和高分子載體混合(碳化硅占總質量的50%),并施加一定的剪切作用,制備出低粘度的流體磨料,而且均勻、穩定,綜合性能好。使用博勒飛(BROOKFIELD)旋轉粘度計DV-ⅡP對其進行測定。根據不同轉子的粘度測定范圍，選擇S63轉子測定磨料粘度。

  對此粘度的磨料進行仿真分析,結果如圖5和圖6,可知最高壓力為11.9MPa,速度分布同樣呈軸對稱性。仿真結果表明,磨料能順利通過毛細管。用設計制作的夾具,一次裝夾9根內徑0.8mm,長295 mm的不銹鋼毛細管,在自制的臥式磨料流機床上進行磨料流加工，磨料流加工機床。

  往復循環加工45次后,用Mitutoyo SL-410粗糙度儀檢測拋光后的內孔表面粗糙度,平均表面粗糙度為0.212。圖所示是用SW01視頻孔探儀檢測獲得的加工前后的不銹鋼毛細管內壁對比圖。如圖所示，加工5個循環后,不銹鋼毛細管內表面質量得到明顯的改善,加工達到了預期的效果。

六、結論

 1. 本研究突破了低粘度、均勻、穩定的流體磨料的制備瓶頸,研制出低粘度且綜合性能好的流體磨料,為微細長孔的拋光開辟了新的有效途徑。

 2. 通過仿真分析和實驗加工表明:磨料流加工工藝用于不銹鋼毛細管的拋光可以獲得滿意的加工效果。成功實現了不銹鋼毛細管內孔的光整加工,填補了國內的技術空白,對于用于檢測系統的毛細管意義更加重大。目前,該成果已可用于批量生產中。