浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)長(zhǎng)徑比較大的不銹鋼毛細(xì)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(guān)鍵參數(shù)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(guò)毛細(xì)管,其次是有滿意的拋光效果。應(yīng)用ANSYS Workbench Fluent進(jìn)行流動(dòng)仿真分析,輔助確定可行的粘度參數(shù)。仿真結(jié)果顯示:常用的粘度為104,105,106 mm2/s的流體磨料,無(wú)法通過(guò)毛細(xì)管;粘度低于104mm2/s的磨料能順利通過(guò),但壓力過(guò)大,遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)備的安全承載極限;粘度為5.585Pa·s的磨料既能順利通過(guò)毛細(xì)管,又有較均勻的流速,入口壓力也在設(shè)備的安全承載范圍內(nèi)。據(jù)此結(jié)果,研制了低粘度的流體磨料和專用夾具,并進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,在毛細(xì)管內(nèi)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(xì)管內(nèi)壁拋光難題的有效方法。

  不銹鋼毛細(xì)管具有良好的耐蝕性、抗拉性、柔軟性、防水性以及優(yōu)良的電磁屏蔽性能、耐高溫、耐磨損,被廣泛用于醫(yī)療生化儀器、自動(dòng)化儀表、精密光學(xué)儀器、熱工儀表、工業(yè)傳感器、電子設(shè)備中。其中,被用作信號(hào)或線路保護(hù)管時(shí),對(duì)毛細(xì)管內(nèi)壁的表面質(zhì)量要求不是很高;但被用于醫(yī)療生化儀器中時(shí),對(duì)毛細(xì)管內(nèi)壁的表面質(zhì)量要求很高(R a<0.2μm),以避免掛液、介質(zhì)殘留等問(wèn)題,影響儀器的檢測(cè)精度。然而,不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)孔的拋光面臨兩大難題:一是不銹鋼材料機(jī)加工時(shí)具有粘刀性,毛細(xì)管結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)難以裝夾;二是孔徑小,常規(guī)磨具無(wú)法觸及。筆者受相關(guān)企業(yè)的委托,研究不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)孔拋光難題。文獻(xiàn)就微小孔的后處理,從加工原理到工藝特點(diǎn)分析了磨料流加工、化學(xué)研磨、電解研磨、化學(xué)拋光等加工方法的適用性?；瘜W(xué)研磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng),存在晶間腐蝕問(wèn)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(huì)對(duì)工件和環(huán)境造成污染。電解研磨是將電解加工與機(jī)械磨削加工相結(jié)合,導(dǎo)電的金剛石磨頭不適用于太細(xì)長(zhǎng)的孔。電解拋光多使用靜液加工,強(qiáng)酸電解液對(duì)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(guò)工件對(duì)加工部位進(jìn)行拋光和去毛刺的新工藝,拋光后的表面可達(dá)鏡面效果,已成功用于雙聯(lián)齒輪齒面、模具異形孔腔、噴油嘴噴孔、熱流道交叉孔、曲管、長(zhǎng)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(xì)管內(nèi)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(shí)間;其中,粘度是最重要的參數(shù)[3-6]。較高的粘度會(huì)提高生產(chǎn)效率;較低的粘度流動(dòng)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(diào)控。本文通過(guò)建立不銹鋼毛細(xì)Fluent進(jìn)行拋光過(guò)程的流動(dòng)仿真分析,輔助確定最佳的粘度參數(shù),這樣既可以保證磨料從毛細(xì)管中順暢通過(guò)且具拋光性能,又最大程度地降低流體磨料綜合性能的調(diào)控難度,同時(shí)還可以準(zhǔn)確把握磨料的粘度和入口速度對(duì)流動(dòng)速度、壓力變化的影響。

 一、流動(dòng)模型的建立

  不銹鋼毛細(xì)管的拋光擬在臥式磨料流機(jī)床上進(jìn)行。根據(jù)委托方提供的內(nèi)徑為0.8 mm,外徑為1.6 mm,長(zhǎng)為130 mm的一種不銹鋼毛細(xì)管樣件,結(jié)合磨料流加工原理,設(shè)計(jì)如圖1所示的夾具,用于固定毛細(xì)管,代替毛細(xì)管承受夾緊力,并引導(dǎo)磨料到達(dá)毛細(xì)管中。按照磨料流加工原理,磨料從進(jìn)料缸被擠壓經(jīng)夾具引導(dǎo)段通過(guò)毛細(xì)管,進(jìn)入出料缸,再?gòu)某隽细讛D壓經(jīng)夾具通過(guò)毛細(xì)管進(jìn)入進(jìn)料缸,如此往復(fù)加工,對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行拋光,直到達(dá)到表面粗糙度要求。

  實(shí)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(guò)機(jī)床的安全工作極限,利用ANSYS WorkbenchFluent進(jìn)行拋光過(guò)程的流動(dòng)仿真分析,為裝機(jī)實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。取夾具進(jìn)料口至出料口的流體磨料作為不銹鋼毛細(xì)管的磨料流加工流動(dòng)分析模型,用UG建模,導(dǎo)出igs格式數(shù)據(jù)文件。

二、流動(dòng)分析前處理

 將分析模型導(dǎo)入ANSYS Workbench Fluent中,劃分六面體網(wǎng)格,如圖2,并對(duì)磨料在毛細(xì)管中的流動(dòng)做以下簡(jiǎn)化和假設(shè):

 1. 磨料介質(zhì)滿足連續(xù)介質(zhì)特性;

 2. 磨料流動(dòng)是等溫定常非牛頓流體流動(dòng);

 3. 不考慮粘性耗散和重力影響;

 4. 磨料在毛細(xì)管中流動(dòng),流動(dòng)具有軸對(duì)稱性。

 按照經(jīng)驗(yàn),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(guò)毛細(xì)管。為了驗(yàn)證這個(gè)推斷,首先分析這3種粘度下流動(dòng)性,然后,對(duì)可調(diào)控的新磨料進(jìn)行流動(dòng)分析。

三、流動(dòng)分析參數(shù)設(shè)置

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

 進(jìn)口邊界inlet選擇速度入口條件,速度通過(guò)機(jī)床來(lái)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓,即101325Pa,其余邊界條件均設(shè)置為壁面。

四、流動(dòng)分析結(jié)果與討論

  圖為3種不同粘度磨料在毛細(xì)管中流動(dòng)的壓力仿真分析結(jié)果。圖為粘度106mm2/s的磨料流動(dòng)的壓力分布云圖,可以看出,壓力最高達(dá)到927MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出機(jī)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(xì)管入口和出口出現(xiàn)負(fù)壓,即該粘度磨料不能通過(guò)毛細(xì)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于粘度為106cst的磨料拋光壓力,但是同樣高于機(jī)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(zhǎng)徑比過(guò)大且內(nèi)徑很小的毛細(xì)管的拋光,與基于經(jīng)驗(yàn)的推斷一致。避免了直接實(shí)驗(yàn)可能造成的不安全事故。

  圖為3種不同粘度磨料在毛細(xì)管中流動(dòng)的速度仿真分析結(jié)果。由圖可以看出,在磨料流動(dòng)過(guò)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(dòng)速度較低,毛細(xì)管中心處的速度較高,速度分布具有軸對(duì)稱性。在出口處出現(xiàn)高分子材料的“離模膨脹”現(xiàn)象,此處壓力及速度都達(dá)到最高,同樣與基于經(jīng)驗(yàn)的推斷一致,容易對(duì)工件、夾具及機(jī)床造成破壞。用磨料流加工工藝拋光不銹鋼毛細(xì)管必須用很低粘度的磨料。

五、實(shí)驗(yàn)

  在200目碳化硅中按質(zhì)量比100∶1加入偶聯(lián)劑,經(jīng)超聲振動(dòng)均勻,再和高分子載體混合(碳化硅占總質(zhì)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(wěn)定,綜合性能好。使用博勒飛(BROOKFIELD)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)DV-ⅡP對(duì)其進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)不同轉(zhuǎn)子的粘度測(cè)定范圍，選擇S63轉(zhuǎn)子測(cè)定磨料粘度。

  對(duì)此粘度的磨料進(jìn)行仿真分析,結(jié)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(duì)稱性。仿真結(jié)果表明,磨料能順利通過(guò)毛細(xì)管。用設(shè)計(jì)制作的夾具,一次裝夾9根內(nèi)徑0.8mm,長(zhǎng)295 mm的不銹鋼毛細(xì)管,在自制的臥式磨料流機(jī)床上進(jìn)行磨料流加工，磨料流加工機(jī)床。

  往復(fù)循環(huán)加工45次后,用Mitutoyo SL-410粗糙度儀檢測(cè)拋光后的內(nèi)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(cè)獲得的加工前后的不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)壁對(duì)比圖。如圖所示，加工5個(gè)循環(huán)后,不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)表面質(zhì)量得到明顯的改善,加工達(dá)到了預(yù)期的效果。

六、結(jié)論

 1. 本研究突破了低粘度、均勻、穩(wěn)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(xì)長(zhǎng)孔的拋光開辟了新的有效途徑。

 2. 通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)加工表明:磨料流加工工藝用于不銹鋼毛細(xì)管的拋光可以獲得滿意的加工效果。成功實(shí)現(xiàn)了不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)孔的光整加工,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的技術(shù)空白,對(duì)于用于檢測(cè)系統(tǒng)的毛細(xì)管意義更加重大。目前,該成果已可用于批量生產(chǎn)中。