弯管内表面抛光技术国内外研究的现状

弯管内表面抛光技术国内外研究的现状内表面相对于外表面来说，加工较难实现，尤其对于弯管内表面来说，精密加工难度更大。传统的对弯管内表面进行抛光的技术可分为机械抛光、电解抛光和化学抛光三种，其中最为常用的抛光技术是机械抛光，如珩磨加工技术。随着科学技术的不断发展，各种新型抛光技术不断涌现，抛光原理也不尽相同，对其原理和发展现状综述如下:1)内孔表面珩磨抛光加工技术珩磨抛光加工是用镶嵌在晰磨头上的油石对精加工表面进行超精密抛光加工的方法。它可以加工圆柱孔、平面、外圆面、球面和齿面等。一般来说珩磨头外周镶有2-10根长度约为孔长1/3-3/4的油石，在珩磨内孔时既做旋转运动又做往复运动，同时通过珩磨头中的弹簧或液压控制而均匀外涨，使之与孔的表面接触面积扩大，提高了加工效率，表面粗糙度Ra为0.2~0.025um。珩磨技术发展到现在，已经比较成熟，加工的质量和精确度都比较高，使用的范围也比较广泛，与其他加工技术相比，布磨加工技术的纠孔能力很强，它可以有效地纠正其他加工技术造成的失圆、喇叭口、彩虹状及提高表面粗糙度等。采用珩磨加工，可以通过去除少量的加工余量，而大大地改善孔和外圆的尺寸精度、圆度、圆柱度、直线度和表面粗糙度。珩磨加工技术对内孔表面的抛光往往是通过珩磨加工机械来实现的，机床主轴与珩磨头一般是浮动连接，有时为了提高纠正工件几何形状的能力，也可以采用刚性连接。珩孔时，由机床主轴带动珩磨头在孔内做直线往复运动，这是主运动，并同时做旋转运动，同时通过珩磨头中的弹簧或液压力，控制油石均匀外涨，对被加工的孔径做径向进给运动，使得加工效率和加工精度都比较高。尽管珩磨技术与其他技术相比较在直径圆孔内表面抛光加工上有着很大的优势，但由于受到机械及加工机床的限制，一方面其加工范围有限，另一方面它只能抛光直管，往往对弯管内表面抛光方面无能为力。这就需要我们探寻一种新的能够对弯管内孔进行有效加工的新技术。2)内孔表面高压水射流抛光加工技术高压水射流是以水为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，此射流束具有极高的能级密度。高压水射流技术的核心是射流，集泵、阀、自动化控制、液压、密封等学科为一体的综合学科，其应用从采矿业起源。在19世纪50年代，北美洲首次应用了高压水射流技术开采非固结的矿床。最初是用10MPa以下的水射流，到20世纪70年代，该项技术高速发展，可以用20~30MPa的水射流以较慢速度切割煤体，再后来发展到高压至100MPa，甚至用超高压大于200MPa的水射流辅助采煤机、掘进机破碎落煤和挖掘破岩。近几年，随着科学技术的发展，专家学者们逐渐将目光转移到设法提高和发挥水射流的潜力上来，而不再单单从提高水射流的压力上进行研究。于是就产生了摆振射流、磨料射流、高温射流和脉冲射流等新颖的射流形式，这些水射流与同等压力下的普通连续射流相比，大大提高了其破碎、剥离、切割能力，更进一步拓展了水射流技术的应用领域，可用于研磨、破碎、喷雾、注水钻孔、切割、清理、清洗等作业，具有操作安全方便、成本低、效率高、易于控制、能量集中、无热效应、清洁等特点，广泛应用在机械、铁道、采矿、汽车、军工、医学、航空、海洋、冶金、建筑、核能、石油、船舶、化工、航天、市政工程以及轻工等部门。尤其适合在工作危险、自然环境恶劣的场合作业，能降低和防止危险事故的发生、改善劳动环境、大大减轻劳动强度。目前，美国、意大利、俄罗斯、德国采用超高压水切割技术，可达550MPa的切割压力，广泛地用于切割陶瓷、玻璃、金属、石材、塑料等各种材料。在20世纪50年代我国的水射流技术刚刚起步，最初主要将水射流技术用于采矿业。我国最初引进高压水射流设备是在80年代中期，引进之后开始进行进行自主研发和仿制，用于切割航空复合材料。直到1993年我国研制出第一台最大压力392MPa的高压磨料水射流切割机械设备，从此，高压水射流设备有了突飞猛进的发展，从通用设备到专用设备、从高压到超高压、从单机到成套设备、从小功率到大功率，不断开发出新产品，使得高压水射流技术在国内的应用得到了进一步的发展。虽然高压水射流的研究取得了长足的发展，但采用高压水射流对内孔进行加工，在国内外均存在抛光不均匀、精度低、效率低等的问题，而且高压水射流用于对外表面进行的加工的情况较多。3)内孔表面磨料水射流抛光加工技术所谓磨料射流就是指将磨料粒子混入射流中，为了使磨料粒子加速将高压流体作为载体，使得磨料粒子获得了与高压流体接近的速度。因为磨粒粒子与高压载体相比硬度高，质量大，因而可以使射流作业能力和射流作业效率得到有效提高。通常高压流体都选用水，所以人们将这种射流称之为磨料水射流(AbrasiveWaterJet，简称AWJ)。世界上最早使用磨料水射流的是美国，学者Bobo在上世纪60年代早期首先在钻油井上使用磨料水射流技术，这种技术使钻井速度得到了大幅度提高。美国海湾石油公司在1966年获得了磨料水射流钻油井钻头喷嘴专利权。70年代末磨料水射流在国际上得到了大规模的研究和应用，80年代获得了迅猛发展。因为磨料水射流切削效率比相同条件的水射流高8~10倍，并且成本低，系统简单，在加工时具有不改变材料的力学、物理、化学性能等特点，因此磨料水射流在短短十年中在破碎岩石作业、切割、除锈和清洗中得到了广泛的应用。国内对于磨料水射流新型精密加工技术的研究一直处于试验室阶段，还没有用于稳定的商业运行。广东工业大学的郭钟宁，王成勇针采用磨料水射流抛光法对气相沉积金刚石多晶膜表面进行加工，将待加工工件表面与水平放置的磨料射流喷嘴处于准接触状态，当射流高速喷出到达工件后立刻改变方向沿着喷嘴边缘外泄。在射流的摩擦与冲击作用下工件表面被抛光，将气相沉积金刚石多晶膜表面粗糙度由Ramax3um抛光到Ramaxl.3um时，达到2.7um/s/mm2的抛光速率。不过此处是对试件外表面进行抛光的抛光方法。对内孔表面的抛光还需进一步的进行研究。与传统的抛光技术相比较，磨料水射流抛光技术的优点在于:第一方面，由于它是使用流体介质液体抛光液进行超精密抛光加工，因此不会磨损抛光盘，容易控制抛光工件的形位公差;并且由于抛光液循环流动，使得抛光过程中工件能够及时散热，温度基本不变，不受热效应的影响，并且加工下来的碎屑还能得到自动清除。第二方面，磨料水射流抛光是以一束很小的液体柱作为抛光头，因此能够使各种形状工件都能够获得很好的抛光，并且工件上抛光部位位置不影响抛光特性。因而，在对零件表面的抛光加工中磨料水射流抛光加工具有独特的优势，它能够加工复杂的零件表面，特别是用磨料水射流抛光加工技术能够对常规抛光方法难以加工的异型面进行抛光加工。但采用磨料水射流加工技术对零件表面抛光加工过程中，对材料加工起关键的作用是抛光头的寿命。由于磨粒材料的韧性、抗压强度、抗拉等力学特性较高、在高压作用下，对抛光头磨损较大，是影响抛光头的寿命的主要因素;更为重要的是，对于长径比较大的弯管内表面来说，磨料水射流加工无法做到管内均匀抛光加工。4)内孔表面磨粒流抛光加工技术磨粒流(简称AFM)加工是利用磨粒流中的磨砂充作无数的切削刀具(自锐性)，以其坚硬锋利的棱角对工件表面进行反复切削，从而达到一定的加工目的。在工艺实施中，通常采用两个相对的磨粒缸使磨粒在零件和夹具所形成的通道中来回挤动，磨削作用就产生在流体受到限制的部位，即挤压部位。当磨粒均匀而渐进地对通道表面或边角进行加工时，就产生去毛刺、抛光、倒角的作用。美国在80年代率先发展起磨粒流光整技术新工艺，并将该技术广泛应用于模具、电子、汽车、航天、航空制造业中关键零件的抛光、倒圆、去毛刺。磨粒流抛光加工技术对等截面内孔可实现均匀抛光。但是，对弯管内表面却无法实现均匀抛光。早在80年代我国就引进了磨粒流抛光加工技术，并将该技术用于抛光铝型材模具。一般在引进的铝型材生产线上都配有磨粒流设备。有几家国内的研究单位己将磨粒流抛光加工技术用于不同类型零件的光整加工，在加工控制及夹具设计方面积累了一些经验。该工艺已在模具纺机、汽车、航天、航空等领域获得了客观的经济效益。在国内由于对磨粒流抛光加工技术了解还不多，经验不充足，且加工成本较高，就使得该工艺的推广应用受到制约。不过，令人欣慰的是，经过几年的探索和研究，北京航空工艺研究所现己取得了可喜进展。自行研发的磨粒流介质，已达到了国际先进水平的性能能够代替进口产品。磨粒流抛光加工对部件内部的处理:在磨粒流加工工艺的发展中复杂内部几何形状的处理起着决定性作用。30多年来，仍然沿用传统的加工方法对工件内部交叉孔的表面进行精密加工，使得抛光效果不尽如人意。由于当前机械零件的发展是向着小型化，微型化，复杂化发展，因此内孔精密超精密加工的问题亦加难以解决。而磨粒流由于是流体介质，具有很好的流动性，因而能够灵活适应各种复杂变化表面的抛光，并且由于磨粒流抛光液磨粒的尺寸非常小，达到微米级甚至纳米级，因而能够获得极小的表面粗糙度值，并且能够对特殊的复杂零件内表面进行超精密抛光。对于内孔直径比较大的工件，需要采用一个中心轴，使得磨料流通过内孔径与中心轴之间形成的狭小空隙来达到有效加工目的。此抛光工艺夹具的磨损是极其小的，因此非常经济实用。磨粒流抛光加工的磨料由具有一定密度的磨粒和润滑、稀释剂载体以及柔性的、油泥状聚合物所组成。不同的磨粒尺寸、密度、类型和不同载体粘度相配合，可以获得各种不同的研磨效果。稀释剂多的基体，粘度低，较柔软，可用于小截面通道的抛光和尖边倒圆。聚合物多的基体，粘度高，比较硬，可用于去除较多的余量和磨削较大的表面。5)其它内表面抛光技术美国P.S.PaandH.Hocheng、G.B.Mcgarvey,T.E.Mcdougall、C.N.Zaitsev等学者对超声波振动抛光进行了广泛的研究，针对耐火陶瓷等不同材料的外表面进行了超声波抛光研究。我们一般把振动频率20KHz以上的波称为超声波。超声加工是一种利用超声能量进行加工的高新技术，该方法是由超声波发生器、换能器、变幅杆和超硬磨料工具所组成。超声波模具抛光机的原理是:换能器将输入的超音频电信号转换成机械振动，经变幅杆放大后，传输至装在变幅杆上的工具头，带动附着在工具头上的金刚石或磨料的悬浮液等高速磨擦工件，致使工件表面粗糙度迅速降低，直至镜面，从而实现抛光的功能。一般说来超声波抛光技术的优点是可以完成其它抛光技术所无法达到或无法高效完成的窄小部件的抛光加工，如工艺品的复杂形状、模具的复杂型腔、窄槽狭缝、盲孔等。但超声波抛光加工技术一般只能对抛光头可以进入的短管进行抛光加工，而对于大长径比的弯管则无能为力。美国?德国以及日本V.S.Maiboroda，S.C.Jayswal，T.Ya.Gridasova，V.E.Oliker,E.LGoloskov、D.F.Ustinovich等众多的国内外学者，经过近六十年的时间对磁性磨料磁力研磨技术进行了研发，并对磁性磨料磁力研磨过程进行了模拟仿真，对磁研磨抛光机理、以及加工过程中工艺参数的选择;对磁研磨抛光内孔、外形;对被抛光材料是磁性材料、非磁性材料等方面进行探索与研究，研究表明，该抛光方法可将表面粗糙度降低到Ra0.1~Ra0.05um左右。国内上海交通大学王艳、胡得金等学者对细长等直径薄壁不锈钢物流管内壁磁力研磨技术进行了研究，得到工件内孔表面粗糙度Ra0.061um。国内鞍山科技大学机械工程及自动化学院应用磁研磨法对细长管内表面进行抛光处理。提出利用磁力线可以穿透非磁性材料的特性，采用磁研磨法完成对不锈钢弯管内表面精密加工。不过因为采用磁研磨加工的零件，首先由于受到磁粉颗粒尺寸的限制，不能得到非常的表面精度;其次，由于加工后的零件不容易把磁性磨料去除干净、彻底，会影响到零件的后续使用;再次，对于复杂零件内外表面还不能够做到均匀抛光。从90年代中期以来，在美国、俄罗斯、德国等国家广泛开展激光抛光研究，利用激光对金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、金属和绝缘材料进行广泛的抛光研究，取得了许多积极的成果。陕西科技大学杨建桥和班超磊对不锈钢管内表面电化学抛光技术进行了研究,他们将不锈钢管工件放置于辅助阳极与辅助阴极之间造成电流通路阻断，电流不能直接由辅助阳极通过抛光溶液流向辅助阴极，必须穿过工件完成回路，导电过程就由溶液中的离子导电转化为工件金属中的电子导电，电流从工件外表面流进，内表面流出，在这两个界面上都将有离子放电现象，发生两个不同的电化学反应。这样工件外表面有电镀倾向，内表面则发生电化学抛光。西南科技大学江涌、杨乾华学者开展了三维振动抛光钦合金叶片的试验研究和三维振动强化抛光振动台的模态分析，将有限元模态试验和模态计算相结合，对振动结构进行试验模态分析。大连理工大学周锦进等学者利用电脉冲化学方法进行光整加工试验研究.得到加工作效率高、整平效果好的显著优点。华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点试验室方建成