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至德鋼業小口徑精密不銹鋼管內表面拋光技術研究現狀

來源:至德鋼業 日期:2020-03-23 00:57:17 人氣:1058

   近年來,隨著半導體工業、航空航天、醫療器械技術的發展與表面加工技術的改進,國內外的學者們逐漸開始對精密不銹鋼管道內表面的加工方法進行了深入研究,并針對表面拋光過程中出現的不同問題進行了許多專題性研究。目前,對管道進行內表面加工的方法可分為:手工拋光、化學拋光、機械珩磨拋光、磁流變光整研磨、磨粒流拋光、超聲波振動拋光、電化學拋光及其復合加工技術。


一、機械珩磨光整技術


    機械珩磨光整技術又稱鏜磨,是采用鑲嵌在珩磨頭上的油石對管道內表面進行精整拋光的加工技術。于20世紀初期,珩磨光整技術被首先運用于汽車及軍工行業內,由于機械珩磨技術具有機床結構簡單、可自動化程度高、加工后表面加工精度高、可加工范圍廣及切削效率高等優點被廣泛運用于現代制造業中。機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既旋轉運動又往返軸向運動,同時通過珩磨頭內部的彈簧或液壓控制而均勻與管道內表面的充分接觸,所以在內表面珩磨過程中具有接觸面積較大,加工效率較高的特點,裝置如圖所示。


    珩磨處理后的精密不銹鋼管道內表面尺寸精度一般可達到IT 7至IT 4級,內表面粗糙度可達Ra 0.32μm至0.04μm。為沖去加工過程中產生的切屑和磨粒,改善表面粗糙度和降低切削區域溫度,操作時常需用大量切削液,如煤油或內加少量錠子油,有時也用極壓乳化液。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,難以實現較大長徑比的小口徑精密不銹鋼管道的內表面拋光。同時,在加工過程中引入的切削液會導致表面材料化學成分發生變化,這在本文的研究中也是應當注意與避免的。


二、磁流變光整技術


    自1948年Rabinow發明磁流變液并將其應用于離合器以來,磁流變光整技術逐漸成為研究者們在精密加工技術領域的一個研究重點。磁流變液是由母液、穩定劑、微米與納米級的磁性顆?;旌现瞥傻膽腋∫?,從本質上來說,在磁場作用下其固體顆粒會形成有序的結構,在這種狀態下固體顆粒的流動性會大大降低,流體的黏度提高。表觀上,磁流變液由液態轉化為“類固態”,也就是說磁流變液在磁場中具有流變性。因為磁流變液所具有的這種特殊的流變特性,使其與傳統的表面光整加工法相比呈現出了很大的柔性和可控性。采用該技術進行拋光時,磁流變液對各種具有不同工件表明進行光整加工的同時又不會影響工件表面的物理力學性能。磁流變光整技術是通過在磁流變液中加入粒徑為0.1μm的A1203或SiC磨料實現對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,進而達到對精密不銹鋼管表面的精細拋光。


    目前日本學者對磁流變光整技術進行了大量研究并發布了很多研究成果,其中確定并分析了對光整精度影響較大的一些因素,在實驗室條件下制備出表面粗糙度Ra為0.04μm的鏡面級光滑表面。2006年,宇都宮大學佐藤隆史教授設計了一款采用磁流變光整技術對中小口徑的管道內表面進行拋光的新型磁流變液光整設備,該裝置可實現內徑在18mm以上的細長管道內表面拋光,實驗結果表明拋光后的內表面粗糙度Ra可達到0.03μm。


三、磨粒流拋光技術


    磨粒流加工是利用磨粒流中微納米級的磨砂充當切削刀具,以其堅硬且鋒利的棱角對工件表面進行反復切削,從而達到表面拋光的目的。在實際拋光過程中,采用兩個相對運動的磨粒缸來促使磨粒在零件與夾具之間來回擠壓移動,當磨粒流均勻且漸進的通過待加工區域時,就產生了去毛刺、拋光與倒角的作用。上世紀80年代,美國科學家率先研發了磨粒流拋光工藝,并將其運用于模具、汽車、航空航天及醫療領域中關鍵零件的倒角、去毛刺工序當中。我國于80年代后期將該項技術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。根據磨粒流中磨粒尺寸、密度及類型的不同,可適應對不同拋光環境的需要。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。采用經過近幾年的研究與發展,目前國內自行研制的磨粒流介質己可以與國際先進水平相媲美,可替代進口產品。


  自2009年以來,浙江至德鋼業有限公司通過結合磨粒流拋光工藝,設計了一種面向彎管內表面的超精密拋光設備。該裝置由柔性鋼線、球形旋轉噴射拋光頭、夾具以及配套的工藝裝備組成,拋光頭實物圖如圖1.7所示。在拋光過程中,通過直流電機拖動拋光頭在管道內部進行往復移動的同時,拋光頭實現繞軸線旋轉運動進而甩出拋光液,實現管道內孔光整與精整加工。但限于拋光頭結構,該裝置目前可實現的拋光管徑被限制在20mm以上,加工效果可將內表面初始Ra 10.38μm的管道拋光至Ra 2.85μm。


四、電化學拋光技術


    電化學拋光也稱電解拋光,是利用電化學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,兩極同時浸入電解液當中,在電流的作用下陽極表面產生選擇性溶解,進而提高工件表面光潔度。對于電化學拋光的原理,世界各國的研究者們爭議頗多,目前主流的電化學拋光理論為黏膜理論。該理論認為:在采用磷酸系電解液進行拋光過程中,待拋光工件表面上脫離的金屬陽離子與電解液當中的磷酸根結合,形成的磷酸鹽膜會吸附在工件表面上。在凸起處頂部的薄膜由于向電解液中擴散的能力較強,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。隨著拋光的進行,待拋光工件表面高點逐漸被去除,黏膜厚度發生變化,粗糙表面逐漸被整平。


    在2000年,浙江至德鋼業有限公司采用電化學拋光的方法對長度為40mm內徑為9mm的316L不銹鋼管內表面進行拋光處理,并獲得較好的拋光效果,實驗裝置如圖所示,在酸性電解液環境下,通過實驗分析了電流密度、拋光時間、電解液溫度、加工間隙及工具電極表面粗糙度對管道內表面拋光質量的影響并進行工藝參數優化,最終使管道內表面粗糙度Ra由原來的2.0μm下降至0.05μm,并達到鏡面效果。但限于該類型管道的應用背景,該研究并未對更小直徑的小口徑不銹鋼管進行深入的研究與分析。同時,在該項研究中,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生的雜散腐蝕會更加明顯,采用該方法進行大長徑比管道內表面拋光的實際效果如何目前并不明確。


五、電化學機械拋光技術


    1965年美國Monsanto公司的工程師首次提出電化學機械拋光技術的概念。該項技術最初被運用于高質量光學元器件表面拋光上,如軍用望遠鏡、顯微鏡等。自1988年開始,IBM將該項技術運用于DRAM的制造中,并使其在世界各地迅速發展起來。與傳統純機械或純電化學拋光方法不同的是,ECMP通過電化學拋光與機械拋光的綜合性作用,避免了機械拋光后表面所存在顯微損傷和電化學拋光中表面平整度與拋光一致性低等缺點。在復合拋光過程中,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,隨著電化學拋光的進行其表面氧化膜增厚,加工速度較慢。然而由于旋轉的拋光盤的作用將表層氧化膜與沉淀物去除,被拋光表面的反應產物被不斷地被剝離,新鮮電解液被補充進來,反應產物隨拋光液流動而被帶走。新裸露出的表面又發生電化學反應,產物再被剝離下來而循環往復,在襯底、磨粒和電化學反應的聯合作用下,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。


    為實現管道內表面的精密拋光,日本產業技術總合研究所于1991年研發了如圖所示的管道內表面電化學機械拋光裝置,這也是目前市場上主流的面向中小口徑精密不銹鋼管內表面的機械電化學拋光工藝。該裝置采用了具有特殊結構的工具電極,在彈性材料層的作用下,尼龍材料與管道內表面得到充分接觸,提供了機械拋光過程中所需的擠壓力。但當管道內徑小于10mm時,電解液更新困難的問題就變得尤為明顯。在對小口徑不銹鋼管道內表面進行電化學機械拋光過程中產生的大量氣泡與沉淀物被大量積蓄,導致拋光表面出現麻點與電蝕等缺陷。

   

   綜上所述,浙江至德鋼業有限公司研究人員發現,目前對于大中口徑管道內表面的拋光技術與方法研究較為成熟。但對與小口徑精密不銹鋼管特別是內徑小于5mm的細長管道的拋光技術與工藝研究相對較少。在分析上述表面拋光技術優缺點并結合本實驗室條件的基礎上,本文將采用電化學拋光的方法對其小口徑管道內表面進行拋光處理。同時針對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,對工具電極結構及拋光裝置進行特殊設計。


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本文標簽:精密不銹鋼管 

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