内流道光整技术背景

具有复杂内流道结构的零件在航空航天、船舶、核、汽车、能源化工等工业领域有着极其广泛的应用，特别是与流体动力系统相关的零部件常常具有空间呈三维走向的含有S型弯，U型弯，O型弯，螺旋弯，L型弯，分叉交汇的微细异形大长径比内流道和孔群结构，这些内流道结构起到对气体和液体流体输运、交换或施加液压力等功能，如航空/航天/船舶/液压/能源化工各类发动机燃油喷嘴、叶片冷却流道和气膜孔、热交换器、液压组件、航发复杂动力控制油路、微型核动力及能源化工反应器等。

可加工微细内流道的工艺技术包括精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工及增材制造(3D打印)等。除增材制造技术外，其他单一工艺加工的微细内流道结构相对简单，且长径比较小，需结合焊接等其他组合工艺才可加工微细复杂内流道。精密机加工的微细内流道会产生毛刺、拐点尖角或接刀台阶等问题；飞秒激光加工的内流道表面会产生粘附的残渣颗粒和表面“台阶”效应；水导/长脉冲激光及电火花加工的内流道表面会产生重熔层；增材制造(3D打印)是一种将复杂三维结构零件模型离散为二维结构进行逐层叠加成形的技术，它使复杂微细内流道零件一体化成型成为可能，因而在航空航天、船舶、核、汽车、能源化工等工业领域的应用日趋增多。然而，增材制造技术在成形零件过程中因存在温度梯度和逐层成形等自身工艺特点，导致零件内流道表面存在半烧结或粘结的粉末颗粒以及表面“台阶”效应。

机加工毛刺、飞秒激光加工内流道粘附烧结颗粒、增材制造内流道表面粘结粉末等都会影响零件的使用性能和安全性：当内流道中通入的流体与表层高速摩擦造成毛刺、粘附残渣颗粒或粘结粉末脱落时会成为多余物而随流体到处扩散，或堵塞油路或引起机械磨损故障，从而造成重大安全事故；粗糙度大的内表面在长期使用过程中易成为疲劳裂纹源，若是高温油路系统还易导致积碳现象发生；机加工流道表面的刀纹、拐点尖角或接刀台阶，飞秒激光及增材制造加工内流道表面的“台阶”现象等都会导致流体运动过程产生湍流、涡流和流体沿程阻力急剧增加，甚至造成流体失控，产生振动而降低零件使用寿命。粗糙表面也会使流体中产生大量空化气泡影响燃烧和液力，甚至产生空化腐蚀；对于一些特定材质的零件(如单晶叶片)冷却流道和气膜孔因热加工重熔层表面易出现微裂纹而导致零件过早失效，因而要求减少重熔层厚度或不允许出现重熔层。

综上所述，通过精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工、增材制造(3D打印)等技术加工流体动力零部件内流道表面时，会带来毛刺、粘结粉末和烧结颗粒等残留物、粗糙表面及重熔层等不利问题，需要采用一定的表面光整技术消除这些不利影响后才能满足产品的性能要求。按照去除表面物质基本机理划分，常见内流道表面光整方法可分为物理方法和化学方法两大类：物理方法如手工抛磨、磨粒流抛光、磨料水射流抛光、磁力抛光、磁流变抛光、超声波抛光等，而化学方法如化学抛光、电化学抛光及电浆抛光等。当零件内流道口径较大(≥3mm)、长径比较小(＜10：1)，且呈近似直线走向时，可采用手工抛磨、化学、电化学、电浆、磁力、磁流变、磨粒流、水射流及超声波等常见方法进行抛光。但是，当零件内流道口径较小(＜3mm)，长径比较大(≥50:1)，甚至呈三维空间走向的含S型弯、U型弯、O型弯、螺旋弯时，这些常见抛光方法都呈现较大局限性或根本无法进行抛光。如手工抛磨方法受抛磨工具可达性限制，只能应对近似直线且长度很短的内流道抛光；磨粒流技术利用多为刚性较大的半固态软性膏体抛光介质对内腔通过挤压衍磨机理抛光，这种雷诺数极小状态的蠕变流体很难通过复杂长程微流道实现均匀加工，易于在拐弯及死角堵塞，强行通过会造成流道变形甚至憋裂流道。即使勉强通过长径比≥50:1内流道时，也会出现随流体行程增加而压力及速度急剧衰减，导致内流道端口“过磨抛”而内部由于压力和流速损失过大而“未磨抛”。此外，不溶于水的胶体磨粒流介质易在内流道拐弯、死角处残留，很难甚至根本无法被彻底清除。因此，磨粒流技术主要适用于结构简单的近直线、口径≥3mm、长径比＜10:1的流道及小孔等结构抛光；磨料水射流也叫微磨料浆体射流、高速流及高速水粒子抛光，通过对水射流喷嘴施加液压力，利用喷嘴喷出带有磨粒的水射流冲击动能冲蚀去除工件表层材料，技术特征是水射流喷嘴与零件表面保持较短的距离，因而只适合外表面或深度较浅的盲孔和通孔内表面抛光；磁力抛光及磁流变抛光等受外加能场方式的约束，该类技术也只适用于形状简单的管形零件内表面或零件内直线型流道抛光，无法应对零件上呈三维空间走向的复杂内流道抛光；当内流道口径较小时，可容纳的腐蚀溶液较少，化学抛光方法的效率会极低甚至局部出现反应气泡塞积而无法抛光；电化学、电浆抛光及超声波方法则因很难在狭小流道内放置仿形电极而无法抛光微细复杂内流道。此外，化学、电化学、电浆抛光等方法还会对流道基体材料显微组织产生多种腐蚀及热影响缺陷，腐蚀液和反应气体也会对环境和设备有不利影响。需要补充指出的是，虽然可采用化学/电化学/电浆抛光/磁力抛光/超声波等柔性加工手段抛光口径较大且呈直线走向的内流道或孔，但柔性加工的原理是表面凸点和凹点会被同时加工，因而这些柔性加工手段只能对表面做轻微光亮化改善，即使材料去除量很大也不能显著改善表面的“台阶”效应、降低表面粗糙度及大尺度剥离表面粘附的粉末、颗粒和毛刺。

迄今为止，查阅国内外已有专利、技术和产品报道，尚未有针对口径＜3mm、长径比≥50:1且呈三维空间走向的含S型弯、U型弯、O型弯、螺旋弯的微细复杂内流道抛光的有效技术。随着精密机加工、飞秒/水导/长脉冲激光加工、电火花加工及增材制造(3D打印)等先进制造工艺在零部件微细复杂内流道加工领域的大量应用以及高端装备对这类零部件性能和安全性的要求，迫切需要开发新的技术手段解决微细复杂内流道表面光整的行业难题——去毛刺、提高孔型、倒角及廓形精度、表面清粉、减少或去除重熔层、抛光等。缺乏微细复杂内流道有效抛光手段已经成为制约增材制造在工业领域大量应用的关键技术瓶颈之一。