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?；旌现瞥傻膽腋∫?，從本質(zhì)上來說，在磁場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)。