精密加工硬脆材料的常用方法
06-05-2025
  精密加工硬脆材料的常用方法
  硬脆材料(如工程陶瓷、光学玻璃、蓝宝石、单晶硅、碳化硅、硬质合金等)因其高硬度、高脆性、耐磨耐腐蚀等优异性能,广泛应用于航空航天、半导体、光学、医疗器械等领域。但其加工难度大,易产生裂纹和崩边。常用的精密加工方法主要包括:
  磨削:
  原理:使用金刚石或CBN等高硬度磨粒的砂轮进行微量去除。
  特点:应用最广泛,可达到较高的形状精度和表面光洁度。包括平面磨削、外圆磨削、内圆磨削、无心磨削等。
  关键:需要高刚度机床、高精度主轴、合适的砂轮(粒度、结合剂、浓度)和冷却液(通常为水基,有时需添加剂)。常采用精密/超精密磨削技术。
  研磨:
  原理:工件与研磨盘(铸铁、锡、铜等软金属或复合材料)之间加入游离的磨料(金刚石、碳化硼、氧化铝等)和研磨液,在相对运动下进行微量去除和表面修整。
  特点:主要用于获得高平面度、低表面粗糙度,或为抛光做准备。效率相对磨削较低。
  形式:双面研磨、单面研磨。
  抛光:
  原理:使用更细的磨料(微米级或亚微米级,如金刚石、氧化铈、氧化铝悬浮液)和更软的抛光盘(沥青、聚氨酯、绒布等),通过机械、化学或化学机械作用去除极微量的材料,获得超光滑、无损伤表面。
  特点:加工去除率最低,但能达到最高的表面光洁度和最低的表面/亚表面损伤。是获得光学表面的关键工序。
  形式:机械抛光、化学机械抛光、磁流变抛光、离子束抛光等。
  激光加工:
  原理:利用高能量密度激光束照射材料,通过热效应(熔化、气化)或光化学效应(冷加工,如紫外激光)去除材料。
  特点:非接触式加工,无刀具磨损,可加工复杂形状和微小结构(钻孔、切割、刻蚀、表面处理)。热影响区控制和裂纹抑制是关键挑战。超短脉冲激光(皮秒、飞秒)在减少热损伤方面优势显著。
  应用:精密打孔、精密切割、微结构加工、表面织构化。
  超声加工:
  原理:工具头(通常为软金属)在超声频率下(>20kHz)高频振动,驱动工具头与工件之间的磨料悬浮液(碳化硼、金刚石等)冲击材料表面实现微量去除。
  特点:特别适合加工高硬度、高脆性的绝缘材料,加工力小,不易产生裂纹和热影响区。可加工复杂形状孔和型腔。
  应用:精密打孔(尤其异形孔)、型腔加工、雕刻。
  电火花加工:
  原理:利用工具电极和工件电极之间脉冲放电产生的瞬时高温蚀除材料。要求工件材料具有导电性。
  特点:非接触式,加工力极小,可加工复杂形状和微小结构,不受材料硬度限制。
  应用:主要用于加工导电的硬脆材料(如硬质合金、金属陶瓷、导电陶瓷)的模具、异形孔、微细结构。
  注意:纯绝缘的硬脆材料(如氧化铝陶瓷、玻璃)不能直接用EDM加工,但可通过辅助电极法或导电化处理实现。
  复合加工:
  原理:结合两种或多种上述加工方法的优势,克服单一方法的局限性。
  常见组合:
  超声辅助磨削/研磨/抛光:利用超声振动提高材料去除率、降低加工力、减少砂轮堵塞、改善表面质量。
  激光辅助加工:用激光局部软化材料,降低其硬度和脆性,再结合机械加工(如车削、磨削),提高加工效率和表面质量。
  电解辅助加工:主要用于导电硬脆材料,结合电解作用和机械作用(如电解磨削)。
  选择哪种方法取决于:
  材料的具体种类和性质(硬度、脆性、导电性)
  加工目标(形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性/亚表面损伤)
  加工效率要求
  成本考量
  工件几何形状和尺寸
  在实际生产中,往往需要多种方法组合使用(例如:粗磨->精磨->研磨->抛光)。