不锈钢管经过机械加工后,需要满足一定的加工精度,包括形状精度、位置精度、尺寸精度。与此同时,采用不同的机械加工工艺,刀具与工件的接触面产生的表面质量也不尽相同。目前改善表面质量的加工方法根据其侧重点不同,可将其分为两大类,一类注重于改善不锈钢管表面的几何形貌,主要包括精密切削、精密磨削、超精加工、研磨、珩磨、抛光等精密磨削与光整加工工艺;另一类是注重于改善不锈钢管表面的力学性能,譬如常采用无屑加工,如滚压、喷丸强化、金刚石挤压、振动冲击等形变强化工艺来提高不锈钢管表面硬度和改变应力状态,金属表层产生塑性变形,产生了冷作硬化,获得了残余压应力,提升了表面硬度和抗疲劳强度。以下对各种工艺的原理、优缺点进行简要概括:

1)精密加工工艺

精密切削加工,刀具在高速运转的情况下切去极薄的一层金属层以实现不锈钢管的精密加工,表面粗糙度值R a可达0.0250.1μm。加工精度高,表面粗糙度值低,但硬化层硬度和深度小,要求机床具有高精度、高稳定性、高刚度。

精密磨削,以砂轮表面的大量等高微刃从工件表面切除微薄的余量,表面加工精度可达0.1μm数量级,表面粗糙度值小于0.16μm。精密磨削要求机床具有极高的定位精度和运动精度以及极高的刚性,同时要保证砂轮的粒度控制和微刃的锐化。

2)光整加工工艺

光整加工,工件表面在细粒度磨料的切削和挤压作用下被磨削光整,加工过程中磨料与工件表面随机接触,磨具与波峰处相互修整,误差均化,表面质量得以提升。在获得较低的表面粗糙度值的同时,获得了残余压应力,切削力、切削热都很小,热损伤可以忽略不计。光整加工的工具与机床采用浮动连接,加工表面自身导向,机床不需要非常精确的成形运动。

珩磨,珩磨头上镶嵌的细粒砂条,在涨紧机构的作用下沿径向张开对内孔产生一定的压力,对工件进行微量切削、挤压。其工艺特点为压力低、切深小,工件表层变形小,切削能力弱,切削过程平稳,使用大量的冷却液冲走脱落的砂粒,能获得较高的表面质量,表面粗糙度值R a可达0.040.32μm

超精加工,用细粒度的砂条以较低压力压在工件表面上,工件低速旋转,砂条作轴向往复振动及轴向进给运动对工件进行微量切削。加工表面呈网状,储油条件良好,能获得较好的耐磨性,表面粗糙度值R a可达0.0120.08μm

研磨,研具在较低的压力下以一定的相对滑动速度与工件表面进行相对运动的一种光整加工方法。研磨剂使工件表面使之形成一层极薄的、容易脱落的氧化膜,磨粒能轻易切除,在0.120.4MPa的压力下即可进行加工,表面粗糙度值R a可达0.010.16μm

抛光,在布盘、砂带等软质磨具上涂抹抛光膏,利用抛光膏的机械刮擦和化学作用去除表面微观粗糙峰以获得镜面,表面粗糙度值可达0.040.16μm。抛光器在高速旋转的过程中与工件表面各位置接触时间不一致,很难保证切下均匀的金属层,无法提高工件的尺寸精度。

3)滚压强化工艺

滚压表面强化工艺是一种无切屑的塑性加工工艺。通过驱动滚压磨具(以硬质合金、碳化硅等高硬度材料制成的滚珠、滚柱、滚轮等形状的磨具)与不锈钢管表面产生相对运动进行滚压,微观表面波峰处受滚压力挤入波谷,产生塑性变形,表面粗糙度可降低至0.1μm;工件表层晶粒细化,晶格结构扭曲,形成0.21.5mm的残余硬化层,硬化程度10%20%,使不锈钢管的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能得到明显改善。

小径长不锈钢管结构的特殊性制约了可供选择的表面加工工艺,同时不锈钢管对表面硬度也有一定的要求,滚压工艺能兼顾表面强化和表面光整两种效果,相较于其他工艺而言,操作简单、加工效率高、无污染、成本低、精度高,能获得较高表面质量。