精密零件加工对材质选择有严格要求,主要体现在以下几个方面:
一、物理性能要求
硬度
加工适应性:对于精密零件加工,材料硬度要适中。如果材料过硬,如某些高硬度的合金钢,加工时刀具磨损会很快,加工难度增大,可能需要使用特殊的刀具和加工工艺。例如,硬度高达 HRC60 以上的模具钢,在进行铣削加工时,普通硬质合金刀具很难进行有效加工,需要采用立方氮化硼(CBN)刀具或陶瓷刀具。而如果材料过软,如纯铝,在加工过程中容易产生变形,影响零件的精度,所以也需要选择合适的加工方式,如采用高速切削并控制切削力。
使用性能:精密零件在使用过程中需要承受一定的外力,合适的硬度能保证其耐磨性和抗变形能力。例如,在机械传动中的精密齿轮,其齿面需要有较高的硬度(一般 HRC45 - 60),以保证在长期的啮合传动过程中不会出现过度磨损和齿形变形,从而确保传动精度。
强度和韧性
抗断裂能力:精密零件在加工过程中可能会受到切削力、夹紧力等外力作用,在使用过程中也会承受各种工作载荷。材料需要有足够的强度和韧性来防止断裂。例如,航空航天领域的精密零件,如飞机发动机的叶片,在高速旋转过程中要承受巨大的离心力和复杂的气体作用力,材料(如钛合金)需要有高的强度和良好的韧性,以避免叶片在工作过程中断裂,引发严重事故。
加工质量保证:在精密加工中,材料的韧性不能过高,否则在切削加工时容易产生粘刀现象,影响零件的表面质量。例如,某些高韧性的不锈钢在车削加工时,切屑容易缠绕在刀具上,导致加工表面粗糙度增加,需要采用合适的断屑槽刀具或者改变切削参数来解决这个问题。
热膨胀系数
加工精度控制:精密零件加工过程中,由于切削热等因素,零件会产生热变形。材料的热膨胀系数小,在加工过程中的热变形就小,有利于保证加工精度。例如,在光学镜片的精密研磨过程中,常用石英材料,其热膨胀系数很小,在研磨过程中即使产生一定的热量,镜片的尺寸变化也非常微小,能够确保研磨后的镜片达到很高的形状精度和表面质量。
使用稳定性:对于一些在温度变化环境下工作的精密零件,如精密量具和仪器的关键部件,材料的热膨胀系数小可以保证零件在不同温度下的尺寸稳定性,从而保证其测量精度和工作性能。
二、化学性能要求
耐腐蚀性
加工过程防护:在精密零件加工过程中,有些加工工艺可能会使零件接触到腐蚀性介质。例如,在电化学加工或者化学研磨过程中,零件需要抵抗加工液的腐蚀。选择具有良好耐腐蚀性的材料可以减少加工过程中的防护措施和后处理工序。如不锈钢材料在含有一定盐分的加工液中仍能保持较好的稳定性,减少生锈的风险。
使用环境适应性:精密零件在实际使用环境中可能会接触到各种腐蚀性物质。例如,在化工设备中的精密阀门零件,要接触各种酸碱等腐蚀性化学品,需要选用耐腐蚀性强的材料,如哈氏合金(Hastelloy),这种合金含有镍、钼、铬等元素,能在多种强酸、强碱环境下保持良好的化学稳定性,确保阀门的精密控制功能不受腐蚀影响。
抗氧化性
加工后质量保持:精密零件加工完成后,如果材料的抗氧化性差,在储存和使用过程中,零件表面容易氧化,形成氧化膜,影响零件的外观和性能。例如,高精度的铜质零件,在空气中容易氧化生成铜绿,如果不进行有效的防护,氧化后的零件尺寸精度和表面质量都会下降。
高温工作环境需求:在一些高温工作环境下,如航空发动机内部的精密零件,材料需要有良好的抗氧化性。例如,镍基高温合金在高温下能够形成致密的氧化膜,阻止氧气进一步侵入材料内部,保证零件在高温环境下的性能稳定,防止因氧化导致的材料性能下降和零件损坏。
三、材料的纯净度和均匀性要求
纯净度
杂质对性能的影响:精密零件材料中的杂质会对其性能产生严重影响。例如,在半导体精密加工中,硅材料的纯度要求极高,即使微量的杂质(如金属杂质)也会改变硅的电学性能,影响芯片的性能和可靠性。高纯度的硅材料(纯度达到 99.9999% 以上)是保证芯片高精度加工和高性能的基础。
加工质量关联:材料中的杂质在加工过程中还可能导致加工缺陷。例如,在钢铁材料中,如果含有较多的夹杂物(如硫化物、氧化物等),在锻造或切削加工时,这些夹杂物可能会引起应力集中,导致零件产生裂纹或表面缺陷,降低零件的质量和精度。
均匀性
物理性能均匀保障:材料的均匀性包括成分均匀性和组织结构均匀性。对于精密零件加工,均匀的材料可以保证零件各部分的物理性能一致。例如,在制造精密模具时,钢材的成分和组织结构均匀,能确保模具在使用过程中各部分的硬度、强度和耐磨性相同,从而保证模具的成型精度和使用寿命。
加工工艺适应性:均匀的材料在加工过程中更容易控制加工质量。例如,在电火花加工中,均匀的导电材料能够保证放电过程稳定,加工精度更高。如果材料的导电性不均匀,会导致放电能量不均匀,使加工表面粗糙度增大,尺寸精度降低。