摘要:

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1.文章导读

在航空航天、生物医疗等高端装备领域，金属内表面质量直接关系到产品的性能与可靠性。然而，受限于几何形状复杂、可达性差等问题，金属内表面抛光仍面临严峻挑战。近期，由香港理工大学王春锦教授与张志辉教授牵头，联合山东理工大学田业冰教授、大连理工大学高航教授与王宣平教授，以及厦门理工学院柯晓龙教授组成的团队，在SCI TOP期刊《极端制造（英文）》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为“Polishing of metallic internal surfaces: technologies, applications, and prospects”的综述文章。该文系统梳理了适用于金属内表面的磨料与非磨料抛光工艺，建立了从表面特征、成形工艺、抛光技术到工业需求的完整分析框架，并对金属内表面抛光在均匀性、可观测性、工业可行性及工艺连贯性等方面所面临的挑战进行了展望。

图1 金属内表面的成型、抛光和应用。        2. 图文解析  

图2总结了内表面抛光技术的发展和研究趋势。自20世纪50年代第一篇相关报道出现以来，该领域经历了早期探索、快速增长和工业应用三个主要阶段。已经开发了电化学抛光、磨料流加工和磁场辅助抛光等更加先进的方法，以应对复杂几何形状的内表面抛光挑战。近年来，增材制造和人工智能的快速发展进一步推动了工具设计和过程自动化的创新。

图2 内表面抛光的发展和研究趋势。

如图3所示，本综述提出了一种基于“中心线追踪原理”的内表面分类方法，并将内表面划分为三种主要类型：

（1）通道型内表面：具有连续的中心线，可以沿该中心线追踪流体运动；

（2）腔体型内表面：中心线终止于封闭区域，无法追踪流体运动；

（3）骨架型内表面：中心线交错，存在众多出口，无法追踪流体运动。

图3 金属内表面分类。

金属内表面的成型工艺在很大程度上决定了其初始表面质量，从而影响后续抛光工艺的选择。图4系统地概述了常见的成形工艺及其相关的表面缺陷，强调了它们对后期抛光带来的挑战。根据成形过程中的材料转变，内表面成型方法可分为三种主要类型：增材制造、减材制造和近净成形。

图4 金属内表面的成型工艺和典型缺陷。

由于内表面几何结构复杂且可及性有限，适用于此类表面的抛光技术远少于外表面。图5系统总结了目前受关注的金属内表面主要抛光方法及其基本工作原理。这些技术可分为磨料抛光与非磨料抛光两大类。磨料抛光通过向高硬度磨粒施加外力，对工件表面进行切削与刮擦，从而实现材料去除；非磨料抛光则借助化学反应或物理状态变化实现材料的去除或迁移。本文对这些抛光工艺进行了定量比较，以期为技术选择提供参考依据。

图5 金属内表面抛光工艺。

抛光对于获得高表面光洁度、减少缺陷及保障服役性能至关重要。在生物医学领域，适宜的表面光滑度有助于提升生物相容性；在流体系统中，优化内表面粗糙度则可减少湍流和压降，从而改善流体动力学性能。此外，降低表面粗糙度还能有效消除应力集中，提升机械性能，并延长疲劳寿命与耐磨性。尽管磨料流加工、磁场辅助抛光以及化学/电化学抛光等技术已在工业中得到应用，但目前中小型企业仍普遍依赖手工抛光。先进抛光工艺因设备成本高、适用性有限、自动化程度低等因素，其规模化工业应用仍面临显著瓶颈。

图6 生物医疗应用。

图7对金属内表面抛光技术的发展趋势进行了总结，并揭示了若干关键趋势：

（1）磨粒流加工和磁场辅助抛光日趋多样化。自2000年，尤其是2010年以来，能场辅助磨粒流加工及磁场辅助抛光技术的应用显著增多。这表明现有抛光工艺已难以完全满足技术发展的需求，多能场辅助方法正推动该领域向更高效、更高精度的方向演进。

（2）非磨料抛光方法逐渐兴起。近年来，电化学抛光和等离子体电解抛光等技术的应用日益广泛。凭借低机械应力、环境友好性以及对复杂几何形状的适应性等优势，这类方法备受关注，也反映出各领域对表面质量的要求不断提升。

（3）经典外表面抛光技术的拓展应用。一些传统上用于外表面的抛光方法，如磨料射流抛光和激光抛光，已经被尝试应用于内表面。这说明研究者们对内表面抛光技术的关注持续增强，从而为该领域引入了更为多元的工艺路径。

图7 金属内表面抛光技术的发展。

3. 总结与展望  

尽管金属内表面抛光技术已在航空航天、生物医疗等领域实现初步应用，但新材料的涌现和结构复杂性的持续提升，仍使其面临日益严峻的挑战。这些问题贯穿从实验室研究到产业化落地的全过程，形成了系统性技术瓶颈，亟需通过颠覆性创新与跨学科协作加以突破。

（1）复杂结构抛光不均匀性突出

高深宽比、剧烈曲率或分支通道等复杂特征，会显著改变外加能量场的空间分布与传播规律，导致局部能量失效或过度集中，从而严重影响抛光均匀性与工艺稳定性。

（2）原位测量手段严重缺失

传统的光学或接触式测量方法难以抵达内表面被测区域，往往需依赖破坏性取样观察，导致检测效率低下、成本高昂，也制约了实时闭环控制系统的开发。

（3）现有工艺与工业需求不匹配

当前大多数抛光工艺仍依赖单件加工或手动上下料方式，生产效率较低，难以适应工业化大规模、批量化制造的需求。

（4）与前序工艺协同不足

“先成型，后抛光”的传统模式虽具有一定通用性，但在应对几何结构复杂的构件时，常面临工具难以进入、加工链条冗长、后处理成本大幅增加等问题。