Микрообработка: новая эра прецизионного производства [Часть 2]

Прецизионная микрообработка относится к процессу обработки материалов на микрометровом или субмикрометровом уровне для создания микро- и наноустройств. Она используется в различных отраслях, включая электронику, оптику, медицину, аэрокосмическую промышленность и многие другие.

Процессы прецизионной микрообработки могут включать различные методы, такие как точение, фрезерование, шлифование, лазерная обработка, химическая обработка и д.р. Важным аспектом прецизионной микрообработки является контроль размеров, формы и поверхностной отделки, так как даже малейшие отклонения могут оказать существенное влияние на работу микродеталей. Прецизионная микрообработка требует специализированного оборудования, высокоточных инструментов и точного контроля процессов.

Это вторая часть статьи, перед прочтением советуем ознакомиться с первой частью в нашем блоге.

Процессы химической и электрохимической микрообработки растворяют материалы с помощью химических или электрохимических средств. По этой причине эти процессы считаются методами формирования и формообразования. Они могут обрабатывать электропроводящие материалы независимо от их шероховатости, твердости, вязкости или прочности. Однако они не могут работать с химически инертными материалами. Кроме того, на эти процессы негативно влияет эффект пассивации, который представляет собой образование тонкого защитного слоя на поверхности материала. Пассивация ограничивает удаление материала; в результате точность этого процесса микрообработки ухудшается.

Этот процесс удаляет материал посредством контролируемой химической реакции с сильным кислотным или щелочным раствором.

Это процесс анодного растворения - то есть растворения анода, когда катод (положительный электрод) и анод (отрицательный электрод) погружаются в раствор электролита, и подается импульсный постоянный ток.

Гибридная микрообработка подразумевает контролируемое взаимодействие и сочетание различных процессов микрообработки, источников энергии и инструментов одновременно. Таким образом, гибридизация обычно происходит в одной зоне обработки и в одно и то же время. Гибридная микрообработка предназначена для одновременного использования преимуществ каждого процесса.

Этот процесс микрообработки помогает быстро и экономично изготавливать микроскопические детали. Он также помогает создавать сложные формы с требуемым уровнем точности. Кроме того, он облегчает массовое и предсказуемое производство деталей. Но это еще не все. Гибридные процессы микрообработки могут работать с труднообрабатываемыми материалами, такими как оксид алюминия, инконель-718, титановыми сплавами (Ti6Al4V), поликристаллическими алмазами, диоксидом циркония и т.д. Более того, при этом достигается высокая целостность поверхности, качество, точность и скорость удаления материала. Гибридная микрообработка также увеличивает срок службы инструмента.

Процесс гибридной микрообработки можно разделить на два класса:

Cочетает в себе два или более процессов одновременно и контролируемым образом, причем оба процесса способствуют удалению материала. Примеры процессов, относящихся к этой категории: электрохимическое микрошлифование, электрохимическая обработка разрядами, механохимическая полировка, электрохимическая дуговая обработка, одновременная электроразрядная/электрохимическая обработка.

Эта категория охватывает процессы гибридной обработки, когда только один из процессов удаляет материал, но дополнительная энергия в виде магнитного поля, вибраций, абразивной жидкости или сильного электрического поля вводится для помощи в удалении материала. Примерами вспомогательных гибридных процессов микрообработки являются абразивное электрохимическое хонингование, абразивная электроэрозионная обработка, точение с помощью лазера, точение с помощью плазмы, электролитическое шлифование в процессе правки и другие.

Микромашины представлены в широком ассортименте. К ним относятся:

• Миниатюрные/настольные станки, предназначенные для производства микродеталей.
• Большие/заводские станки, которые либо приспособлены для обработки микрокомпонентов, либо специально разработаны с нуля для обработки микродеталей.

Впервые разработанные в Японии, в 1990-х годах, а затем производимые в Швейцарии и других странах, миниатюрные станки представляют собой уменьшенные системы с малой занимаемой площадью. Фактически, они настолько малы, что могут поместиться на рабочем столе.

Один из таких станков, например, токарный центр NANOWAVE, имеет размеры корпуса 700 x 500 x 600 мм. Другой, сверхмалый фрезерный станок, имеет еще меньший размер корпуса - 414 x 450 x 470 мм. По словам производителя, оба станка могут обрабатывать отверстия малого диаметра - 100 микрон и менее, то есть выполнять микрообработку.

Такие портативные станки имеют ряд преимуществ, включая снижение первоначальных и эксплуатационных затрат, экономию места и энергии. И что еще более поразительно, они не уступают в точности.

Модификация крупных станков для обработки микрокомпонентов обычно включает уменьшение размеров некоторых деталей и инструментов станка, чтобы обеспечить возможность создания микрорельефа как на крупных, так и на микродеталях. Однако в таких станках отсутствуют некоторые характеристики, предотвращающие или минимизирующие вибрацию. Общеизвестно, что воздействие вибрации увеличивается с уменьшением диаметра обрабатываемых деталей. Таким образом, микродетали несут на себе основную тяжесть даже мельчайших вибраций.

Большие станки, специально разработанные с нуля, включают в себя датчики вибраций или средства гашения вибраций. В них также предусмотрены средства перемещения деталей и крепления. Кроме того, эти станки могут поддерживать числовое программное управление (ЧПУ), становясь, таким образом, станками с ЧПУ с возможностью микрообработки.

Примерами станков заводского класса, способных выполнять микрообработку, являются:

• Микро-электроэрозионные станки, например, SARIX SX200 PULSAR.
• Микрофрезерные станки с ЧПУ, например, компактный фрезерный станок CM-1 компании Haas.
• Лазерные станки для микрообработки, например, серия LASERTEC PrecisionTool от DMG Mori.
• Микросверлильные станки с ЧПУ, например, KERN Micro Pro.

Микрообработка является синонимом точного производства. Однако точность этого процесса зависит от инструмента. Размер инструментов часто диктует размер обрабатываемых деталей, поскольку концепция микрообработки по своей сути включает эту взаимосвязь. Коммерчески доступные микроинструменты обычно изготавливаются из:

• Алмазов, например, поликристаллических и монокристаллических алмазов;
• Карбида вольфрама;
• Быстрорежущей стали;
• Кермета;
• Кубический нитрида бора.

Алмазные инструменты используются для обработки цветных материалов. Инструменты из карбида вольфрама играют более широкую роль, поскольку они могут обрабатывать широкий спектр материалов, включая мягкую и закаленную сталь, медь, титан, алюминий и нержавеющую сталь.

Успешная микрообработка невозможна без использования программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD) и автоматизированного производства (CAM) или комбинированной CAD/CAM системы, объединяющей возможности обеих систем. Такие системы, особенно самые новые, подходят для микрообработки, поскольку сводят к минимуму необходимость преобразования данных, что крайне важно для поддержания точности. Это связано с тем, что в отличие от отдельных CAD и CAM систем, которые требуют передачи данных между программами, все данные в CAD/CAM системах существуют в рамках одной экосистемы. Эти системы должны:

• Быть способными работать с жесткими геометрическими допусками;
• Генерировать траектории инструментов на основе расчетов, которые соответствуют жестким допускам для достижения высокой степени точности;
• Поддерживать постоянную нагрузку на инструмент для предотвращения поломки миниатюрных инструментов;
• Поддерживать высокоскоростную обработку. Это особенно важно для микрофрезерования, так как помимо ускорения процесса обработки, более высокие скорости резания также обеспечивают лучшее качество деталей. Кроме того, более высокие скорости (например, 300 000 об/мин) также позволяют использовать очень миниатюрные сверла.

Тем не менее, если вы работаете со станками с ЧПУ, файлы CAD должны быть подготовлены для обработки на станках с ЧПУ. Стоит отметить, что не все программное обеспечение CAM или CAD/CAM специализировано для микрообработки. Таким образом, нельзя полагаться на случайное программное обеспечение на рынке - можно обжечься. Предположим, вы ищете специализированное решение, предлагающее возможности микрообработки. В этом случае вы можете воспользоваться отдельным программным обеспечением, таким как Cimatron, или CAD/CAM-опциями, которые предлагают производители станков.

Преимущества микрообработки включают:

1. Микрообработка обеспечивает превосходное качество обработки поверхности.
2. Она помогает производить детали, как большие, так и маленькие, с миниатюрными особенностями для различных отраслей промышленности.
3. Процесс обеспечивает высокую точность и прецизионность.
4. Высокоскоростное вращение шпинделя способствует повышению производительности и повторяемости при масштабировании.
5. Гибридная микрообработка повышает эффективность и снижает объем последующей обработки, поскольку в одном рабочем пространстве можно выполнять несколько процессов микрообработки.
6. Микрообработка позволяет работать с различными материалами, включая труднообрабатываемые.
7. Этот метод обработки позволяет получить точные размеры и чистые срезы.
8. Микрообработка менее требовательна к энергии, чем обычная обработка, что приводит к снижению затрат.

Недостатками и ограничениями микрообработки являются:

1. Хорошо зарекомендовавшие себя методы удаления материала при макрообработке могут быть неприменимы к микрообработке; это связано с эффектом размера.
2. Процесс не полностью подходит для обработки хрупких материалов; при микрообработке таких материалов необходимо применять специальные методы. Как правило, они включают поддержание высоких сжимающих напряжений в зоне образования стружки для подавления распространения трещин. Это достигается использованием фрез, радиус режущей кромки которых находится в наноразмерном диапазоне. Толщина недеформированной стружки также должна быть меньше радиуса режущей кромки.
3. При обработке многофазных вязких материалов происходит образование поверхностных ямок.
4. Материалы подвергнутые микрообработке подвержены образованию заусенцев, что увеличивает стоимость производства до 9% от общей стоимости обработки, это влияет на качество обработанной поверхности и снижает способность детали соответствовать требуемым рабочим характеристикам и функциональности.
5. Микрорежущие инструменты сильно подвержены прогибам и изгибам, что ограничивает точность и прецизионность. Это связано в первую очередь с тем, что такие инструменты имеют меньшее отношение диаметра к длине свеса, что способствует снижению их прочности.
6. Автономные системы микрообработки могут не обеспечивать постоянное получение сложных форм с требуемой точностью, а также могут испытывать трудности при массовом производстве деталей с миниатюрными элементами, что делает их несколько непредсказуемыми.

Некоторые области применения микрообработки включают:

1. Изготовление часов и ювелирных изделий.
2. Обработка микрохирургического оборудования.
3. Сверление микроотверстий для распылительных сопел, струйных сопел, печатных плат, медицинского оборудования, апертурных планок для сканирующих электронных микроскопов, пневматических датчиков, отверстий высокого давления, микропипеток и спутниковых/оптических апертур.
4. Производство топливных инжекторов и форсунок в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания.
5. Обработка деталей и инструментов для микростанков.
6. Обработка чрезвычайно твердых и износостойких материалов для создания микроштампов, пресс-форм и инструментов.
7. Производство специализированных компонентов для оборонной промышленности.
8. Изготовление зубных имплантатов.
9. Производство электродов микроразмеров с использованием заготовок из графита или меди.
10. Обработка пресс-форм из никеля для изготовления оптических приемных линз для CD- или DVD-плееров.

Микрообработка стала решением для удовлетворения растущего спроса на микроскопические детали. Кроме того, что этот процесс способствует миниатюризации, он также стал предвестником новой эры точного производства. Это произошло благодаря тому, что процессы микрообработки позволяют достичь высокой степени точности, прецизионности и качества поверхности. С годами инновации привели к появлению многочисленных методов, которые в целом делятся на механические, термические, химические и электрохимические, а также гибридные. Эти процессы используются для изготовления микроотверстий, часов и ювелирных изделий, зубных имплантатов, инструментов для микромашин и многого другого.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Что такое прецизионная обработка? [Часть 1]»‎ и «‎5 основных применений макросов для станков с ЧПУ»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!