和高端食材只需簡單處理不同，越是高端的氮化硅陶瓷球，其加工工藝越是復(fù)雜。如果你手中握有一顆高端氮化硅陶瓷球，一定會(huì)先被其表面特有的光澤吸引。表面渾圓一體的黑色中，反射出特有的光芒，在七百二十度的圓弧上流動(dòng)出神秘異常。這就是不遜色自然偉力的工業(yè)之美。
好看嗎？好看就是好質(zhì)量。這話并非沒有憑據(jù)，就像戰(zhàn)斗力高的軍用飛機(jī)一定有著帥氣的流線外形，這里面牽扯到了空氣動(dòng)力學(xué)等深層因素。而氮化硅陶瓷球也是一樣，作為精密陶瓷滾珠，充滿美學(xué)的外表意味著表面粗糙度值就越低，表面缺陷也越少。
目前，氮化硅被認(rèn)是制造諸如航空器引擎、高速主軸和精密機(jī)床中高速、高溫精密軸承滾珠的首選材料。
陶瓷球的表面能低，研磨介質(zhì)和磨料附著性差，影響陶瓷球的加工效率、球表面粗糙度和批直徑變動(dòng)量；陶瓷球在研磨盤溝道中自轉(zhuǎn)性差(低密度造成)，影響陶瓷球的加工精度特別是球形誤差。
目前常見氮化硅陶瓷球的研磨拋光可以通過微細(xì)磨粒的機(jī)械與化學(xué)作用，在軟質(zhì)拋光工具或化學(xué)液、電/磁場等輔助作用下，減少或完全消除加工變質(zhì)層，獲得光滑或超光滑的陶瓷球表面。
傳統(tǒng)的機(jī)械研磨拋光方法大致有兩類:一類是杯狀研具加工方法；另一類是磨盤加工方法。為了有效減少表面缺陷，在陶瓷球的精加工中開發(fā)了新的加工技術(shù)，具備“柔和”的加工條件。既實(shí)現(xiàn)低水平的約束力，也能采用較高的研磨速度，可以實(shí)現(xiàn)高的余量去除速度和更短的加工周期。
也就是被稱為超精密加工的陶瓷球研磨拋光技術(shù)。
超精密復(fù)合加工的拋光方式
磁流體拋光(MFP)
磁流體通常是膠質(zhì)Fe3O4加入體積百分比為5~10%的磨料形成混合液，球坯放置于充滿磁流體與磨料混合液的圓柱形研磨盤內(nèi)(常為鋁質(zhì))，其下是一排條狀永磁極(Nd-Fe-B等)。在磁場作用下，磁性粒子向強(qiáng)磁場方向運(yùn)動(dòng)，對磨料產(chǎn)生反向浮力，使磨料懸浮于磁流體中。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，球坯在磁流體和磨料的混合液中一邊自轉(zhuǎn)一邊繞研磨盤公轉(zhuǎn)，懸浮在磁流體中的磨料對陶瓷球進(jìn)行拋光。
球坯所受壓力較小(約為1N/球)且為彈性，大大減少了機(jī)械研磨在陶瓷球表面產(chǎn)生的劃痕及微裂紋等缺陷。使用磁流體拋光加工的球體，其材料去除率可達(dá)到12 μm/min，是傳統(tǒng)V型槽研磨加工去除率的40余倍。
化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)
化學(xué)機(jī)械拋光目前已廣泛應(yīng)用于各種工程陶瓷、功能陶瓷和金屬材料的超精密加工。
拋光時(shí)，懸浮于液態(tài)介質(zhì)中的納米級軟質(zhì)磨粒，在與工件的接觸點(diǎn)上因摩擦而產(chǎn)生高溫高壓，并在極短的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成比工件材料軟、更容易去除的新物質(zhì)。 反應(yīng)產(chǎn)物以0.1 nm的微小單位，由工件與后續(xù)磨料及拋光盤之間的機(jī)械摩擦作用去除，從而獲得超光滑表面。
超聲震動(dòng)輔助拋光(UVP)
超聲震動(dòng)輔助拋光(UVP，Ultrasonic Vibration Aided Polishing)就是使拋光工具產(chǎn)生超聲頻率振動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行拋光，是一種超聲震動(dòng)與機(jī)械加工相復(fù)合的加工方法。 加工速度在粗研階段比傳統(tǒng)方式提高了2~3倍。 把磁流變拋光技術(shù)與超聲波技術(shù)相結(jié)合，對陶瓷滾子進(jìn)行拋光，材料去除率高于無超聲振動(dòng)時(shí)的去除率，加超聲振動(dòng)拋光陶瓷滾子1 h后的表面Ra值可以從0.260 μm降為0.025 μm。
集群磁流變拋光
為實(shí)現(xiàn)高精度陶瓷球的高效率加工，廣東工業(yè)大學(xué)閻秋生教授團(tuán)隊(duì)提出了集群磁流變拋光陶瓷球的新工藝，將多個(gè)小磁性體有規(guī)則地排列在非磁性體材質(zhì)的上下拋光盤的背部。 當(dāng)向拋光盤里面注入磁流變拋光液時(shí)，會(huì)在磁極上方形成集群磁流變效應(yīng)拋光墊，用上下拋光盤表面所形成的集群磁流變效應(yīng)拋光墊包覆陶瓷球并對其進(jìn)行拋光。
在加工時(shí)，因?yàn)榇帕髯儝伖鈮|一直包覆著陶瓷球，將剛性接觸變成柔性接觸，大大減少了研磨沖擊及發(fā)熱產(chǎn)生的次生變形。具有拋光效果好、效率高且不產(chǎn)生亞表面損傷等優(yōu)點(diǎn)，可以在保證表面質(zhì)量和形狀精度的同時(shí)大大提高氮化硅陶瓷球的拋光效率。
寫在最后
在傳統(tǒng)的氮化硅陶瓷球的研磨加工中，基本上都是通過磨粒對工件材料加壓，在材料加工表面的拉伸應(yīng)力最大部位產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋擴(kuò)展并相互交叉時(shí)，受裂紋包圍的部分就會(huì)破裂并崩離出小碎塊來。這是陶瓷球表面形成的基本過程。因此，必然會(huì)在陶瓷球表面形成大量的微裂紋、凹坑和刮痕等缺陷。但是超精密研磨拋光技術(shù)并不會(huì)產(chǎn)生這種問題。
為進(jìn)一步提高氮化硅陶瓷球的研磨拋光效率和質(zhì)量，研發(fā)新型研磨拋光工藝與方法將是企業(yè)下一步創(chuàng)新的目標(biāo)。
參考來源
肖曉蘭等. 氮化硅陶瓷球研磨拋光技術(shù)研究進(jìn)展
呂冰海等. 氮化硅陶瓷球的超精密研磨技術(shù)
袁巨龍等. 超精密加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究
