Introducción de 4 técnicas de mecanizado de ultraprecisión para bolas de Si3N4
Labola cerámica de nitruro de silicio (Si3N4) tiene muchas propiedades excelentes, como alta dureza, resistencia al desgaste, baja densidad y coeficiente de expansión térmica, así como excelente resistencia a altas temperaturas, no magnética, resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, autolubricación y excelente resistencia al choque térmico, etc., por lo que se ha convertido en el material preferido para rodamientos de bolas sometidos a altas temperaturas, alta velocidad, alta precisión y entornos especiales.
La bola cerámica de nitruro de silicio se utiliza ampliamente en turbinas eólicas, husillos de precisión de alta velocidad, motores de alta temperatura y otros campos. Como elemento básico clave del rodamiento en los equipos importantes, la calidad de rectificado y pulido de ultraprecisión de la bola es un factor importante que afecta al rendimiento y la vida útil del rodamiento. A continuación se presenta brevemente la tecnología de esmerilado y pulido de ultraprecisión de las bolas cerámicas de nitruro de silicio.
La tecnología de esmerilado y pulido de ultraprecisión de las bolas cerámicas de Si3N4 incluye principalmente el pulido magnetohidrodinámico, el pulido químico mecánico y el pulido asistido por ultrasonidos. Estas nuevas técnicas de mecanizado "flexibles" permiten el microcorte de los materiales de la superficie de la bola cerámica Si3N4, lo que permite eliminar el exceso mediante fractura plástica para obtener una superficie superlisa no dañada.
Pulido magnetohidrodinámico
El pulido magnetohidrodinámico suele realizarse añadiendo Fe3O4 coloidal a una mezcla abrasiva con un porcentaje de volumen del 5-10%. La bola cerámica Si3N4 en bruto se coloca en un disco cilíndrico de pulido lleno de una mezcla de fluido magnético y abrasivo, bajo la cual hay una fila de polos magnéticos permanentes. Bajo la acción del campo magnético, las partículas magnéticas se desplazan hacia la dirección del fuerte campo magnético y producen la flotabilidad inversa en el abrasivo, lo que hace que éste quede suspendido en el fluido magnético. Cuando el eje motor gira, el tocho de bola gira en la mezcla de fluido magnético y abrasivo mientras gira alrededor del disco de rectificado, y el abrasivo suspendido en el fluido magnético pule la bola cerámica. La bola en bruto de cerámica de nitruro de silicio está sometida a menos presión (aproximadamente 1N/ bola) y es elástica, lo que reduce en gran medida los arañazos y microgrietas en la superficie de la bola de cerámica causados por el rectificado mecánico.
La velocidad de eliminación de material de las esferas mediante pulido magnetohidrodinámico puede alcanzar 12μm /min, que es más de 40 veces superior a la de las esferas mediante pulido por fluido magnético. Los experimentos muestran que la esfericidad puede alcanzar 0,14 μm y la rugosidad superficial puede llegar a 0,01μm después de 3h de procesamiento.
Pulido químico mecánico
El pulido mecánico químico se ha utilizado ampliamente en el mecanizado de ultraprecisión de diversas cerámicas de ingeniería, cerámicas funcionales como la zirconia estabilizada con itria, y materiales metálicos. Durante el pulido, las partículas abrasivas blandas de nivel nanométrico suspendidas en el medio líquido producen alta temperatura y alta presión debido a la fricción en el punto de contacto con la bola cerámica Si3N4, y producen una reacción química en muy poco tiempo, generando un nuevo material más blando que el material de la pieza y más fácil de eliminar. El producto de la reacción se eliminó mediante la fricción mecánica entre la bola cerámica Si3N4 y el disco abrasivo y pulidor posterior en la unidad de 0,1 nm, para obtener una superficie superlisa.
En la actualidad, los investigadores utilizan una solución de pulido de óxido de cerio a base de agua para realizar el pulido químico mecánico de las bolas cerámicas de nitruro de silicio y obtener una superficie lisa con una rugosidad Ra de 4 nm.
Pulido asistido por vibración ultrasónica
El pulido asistido por vibración ultrasónica es un tipo de método de mecanizado que combina la vibración ultrasónica y el mecanizado mecánico. Algunos investigadores aumentaron la vibración torsional ultrasónica en el disco de rectificado superior, y la velocidad de procesamiento fue 2~3 veces superior a la forma tradicional en la etapa de rectificado basto. Además, los investigadores también combinaron la tecnología de pulido magnetoreológico con la tecnología ultrasónica para pulir bolas cerámicas Si3N4, y los resultados mostraron que la tasa de eliminación de material era mayor que sin vibración ultrasónica, y el valor Ra de la superficie de la bola cerámica Si3N4 pulida por vibración ultrasónica disminuyó de 0,260μm a 0,025μm después de 1 hora.
Pulido magnetoreológico en racimo
Con el fin de realizar el mecanizado de alta eficiencia de bolas de cerámica de alta precisión, un equipo de investigación propuso una nueva tecnología de bolas de cerámica de pulido magnetoreológico en racimo, en la que múltiples objetos magnéticos pequeños están dispuestos de forma regular en la parte posterior de los discos de pulido superior e inferior hechos de materiales no magnéticos. Cuando el fluido de pulido magnetoreológico se inyecta en el disco de pulido, se formará una almohadilla de pulido de efecto magnetoreológico en racimo por encima del polo magnético. La almohadilla de pulido de efecto magnetoreológico en racimo formada en la superficie del disco de pulido superior e inferior se utilizará para cubrir la bola cerámica y pulirla. En el modo de pulido magnetoreológico en racimo existe un cierto espacio entre los discos de pulido superior e inferior. Durante el proceso, el contacto rígido se transforma en contacto flexible porque el disco de pulido magnetoreológico siempre está cubierto con bolas cerámicas, lo que reduce en gran medida la deformación secundaria causada por el impacto del pulido y el calentamiento. El equipo desarrolló un dispositivo de ensayo de bolas cerámicas de pulido magnetoreológico en racimo y llevó a cabo experimentos de pulido y procesamiento de bolas cerámicas de nitruro de silicio.
La tecnología de pulido magnetoreológico en racimo tiene las ventajas de un buen efecto de pulido, alta eficiencia y ausencia de daños en la subsuperficie, etc., lo que puede mejorar en gran medida la eficiencia de pulido de las bolas cerámicas si3n4 al tiempo que garantiza la calidad de la superficie y la precisión de la forma.
Sobre la autora
Cathie Montanez es la Científica de Proyectos de Stanford Advanced Materials (SAM). En su día fue profesora de investigación en la escuela de ciencia e ingeniería de materiales de la universidad, y ahora es responsable de las pruebas de rendimiento y la orientación técnica de los productos de SAM, como metales refractarios, cerámicas, crisoles de laboratorio y barras de molienda, etc.
