和高端食材只需簡單處理不同，越是高端的氮化硅陶瓷球，其加工工藝越是復雜。如果你手中握有一顆高端氮化硅陶瓷球，一定會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)斗力高的軍用飛機一定有著帥氣的流線外形，這里面牽扯到了空氣動力學等深層因素。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，氮化硅被認是制造諸如航空器引擎、高速主軸和精密機床中高速、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磨粒的機械與化學作用，在軟質(zhì)拋光工具或化學液、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。既實現(xiàn)低水平的約束力，也能采用較高的研磨速度，可以實現(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，磁性粒子向強磁場方向運動，對磨料產(chǎn)生反向浮力，使磨料懸浮于磁流體中。當驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)時，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，其材料去除率可達到12 μm/min，是傳統(tǒng)V型槽研磨加工去除率的40余倍。
化學機械拋光(CMP)
化學機械拋光目前已廣泛應用于各種工程陶瓷、功能陶瓷和金屬材料的超精密加工。
拋光時，懸浮于液態(tài)介質(zhì)中的納米級軟質(zhì)磨粒，在與工件的接觸點上因摩擦而產(chǎn)生高溫高壓，并在極短的時間內(nèi)，發(fā)生化學反應，生成比工件材料軟、更容易去除的新物質(zhì)。 反應產(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械摩擦作用去除，從而獲得超光滑表面。
超聲震動輔助拋光(UVP)
超聲震動輔助拋光(UVP，Ultrasonic Vibration Aided Polishing)就是使拋光工具產(chǎn)生超聲頻率振動的同時進行拋光，是一種超聲震動與機械加工相復合的加工方法。 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，對陶瓷滾子進行拋光，材料去除率高于無超聲振動時的去除率，加超聲振動拋光陶瓷滾子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
為實現(xiàn)高精度陶瓷球的高效率加工，廣東工業(yè)大學閻秋生教授團隊提出了集群磁流變拋光陶瓷球的新工藝，將多個小磁性體有規(guī)則地排列在非磁性體材質(zhì)的上下拋光盤的背部。 當向拋光盤里面注入磁流變拋光液時，會在磁極上方形成集群磁流變效應拋光墊，用上下拋光盤表面所形成的集群磁流變效應拋光墊包覆陶瓷球并對其進行拋光。
在加工時，因為磁流變拋光墊一直包覆著陶瓷球，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，可以在保證表面質(zhì)量和形狀精度的同時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力最大部位產(chǎn)生微裂紋。當縱橫交錯的裂紋擴展并相互交叉時，受裂紋包圍的部分就會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)并不會產(chǎn)生這種問題。
為進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。
參考來源
肖曉蘭等. 氮化硅陶瓷球研磨拋光技術(shù)研究進展
呂冰海等. 氮化硅陶瓷球的超精密研磨技術(shù)
袁巨龍等. 超精密加工領域科學技術(shù)發(fā)展研究
