Микрообработка:методы, возможности и проблемы

Микрообработка — это крупный бизнес, и в ближайшие годы он будет расти, поскольку отрасли требуются более мелкие и сложные детали. Но что на самом деле означает этот термин и чем он отличается от «макрообработки», ежедневно выполняемой в механических мастерских по всему миру? Вот что вам нужно знать.

Будь то медицина, аэрокосмическая электроника или автомобильная промышленность, микрообработка — это большой бизнес. Согласно отчету исследовательской фирмы The Insight Partners за ноябрь 2019 года, он станет намного больше.

Согласно отчету, при прогнозируемой стоимости в 5,48 млрд долларов к 2027 году мировой рынок микрообработки, как ожидается, вырастет почти вдвое по сравнению с уровнем 2018 года в течение следующих нескольких лет.

Джейк Резерфорд, инженер по исследованиям и разработкам в KYOCERA SGS Precision Tools Inc., как и большинство представителей отрасли, определяет микрообработку как любую деталь или элемент, требующий инструментов диаметром менее 1/8 дюйма или 3 миллиметров.
 

Ничего нового, — объясняет он. Первым применением микрообработки было часовое производство, но поскольку с течением времени технологии позволили получить более мелкие и точные компоненты, этот термин теперь охватывает широкий спектр отраслей, деталей и материалов. Сюда входят всевозможные датчики, сердечные насосы и оборудование для мониторинга дыхания, компоненты для аэрокосмической и автомобильной промышленности, аксессуары для электронных микроскопов, микрожидкостные устройства и даже многие детали вашего смартфона.

Материалы, используемые для изготовления этих компонентов, также охватывают широкий диапазон:довольно распространены нержавеющие стали и жаропрочные сплавы, а также полимеры, такие как PEEK, PTFE и POM.

«Между отраслями во многом совпадают материалы, поэтому в магазинах следует искать инструменты для микрообработки, предназначенные для конкретного материала, а не инструменты, разработанные для определенного рынка или области применения», — говорит Резерфорд.

Полезные правила микрообработки

Однако, независимо от размера заготовки, общие принципы обработки остаются неизменными. Отличие заключается в усиленном влиянии любых неоптимальных переменных приложения на успех микрообработки.

«Все становится более важным, — говорит инженер по приложениям KYOCERA SGS Джейкоб Рак. «Возьмите выбег в качестве примера. Мы рекомендуем не более 0,1% от диаметра вашего режущего инструмента. Однако чем меньше инструмент, тем труднее его достичь и тем больше это влияет на срок службы инструмента».

Дерек Надинг соглашается. Инженер по применению M.A. Ford Mfg. Co. Inc. предлагает эмпирическое правило для инструментов диаметром более 1/8 дюйма:на каждую десятую часть биения машинисты могут рассчитывать на 10-процентное сокращение срока службы инструмента. «Однако, когда вы имеете дело с режущими инструментами микроразмера, потеря срока службы инструмента может быть еще больше. Вот почему мы рекомендуем высококачественную термоусадочную, гидравлическую или прецизионную прессовую систему для большинства операций фрезерования и сверления, но особенно для микрообработки».

Достижение надлежащей поверхностной скорости также имеет решающее значение. Подсчитать может любой машинист, но для работы фрезы 1/32 дюйма со скоростью 300 футов в минуту требуется около 40 000 об/мин, что намного выше, чем могут достичь большинство обрабатывающих центров и все токарные станки. В таких ситуациях Надинг и другие рекомендуют спидер-голову. Электрические, пневматические и охлаждающие версии легко доступны, хотя Надинг быстро указывает, что для первой из них требуется электрическая проводка, что запрещает использование автоматического устройства смены инструмента на станке.

Высокие скорости вращения шпинделя и чистая подача охлаждающей жидкости

Для операций микросверления с подачей СОЖ Надинг отмечает, что для размещения сверхмалых отверстий для СОЖ сверла следует использовать систему СОЖ высокого давления (HPC) с давлением от 500 до 1000 фунтов на квадратный дюйм. Он предупреждает, что правильная фильтрация имеет решающее значение.

«Очевидно, что отверстия в этих сверлах довольно маленькие, поэтому даже мельчайшей стружки или частички загрязнения достаточно, чтобы забить работу, что часто приводит к почти мгновенному выходу инструмента из строя», — говорит он. «Вот почему мне нравится уровень фильтрации 10 микрон и выше для оптимальной производительности».

Даже больше, чем высокая скорость вращения шпинделя и чистая охлаждающая жидкость, Надинг предпочитает хорошо отрегулированные и высокоточные станки, предназначенные для микрообработки. Как и Рак из KYOCERA SGS:«Когда вы пытаетесь запустить микродрель или концевую фрезу на слишком большом станке, разрешение оси часто недостаточно точное, что приводит к движениям, которые могут быть слишком резкими, чтобы инструмент мог их выдержать», — говорит он. .

Эван Дункансон, специалист по фрезерованию в EMUGE Corp., отметил еще одну распространенную ошибку микрообработки:недостаточную подачу инструмента.

«Люди, плохо знакомые с этим видом работы, склонны использовать маленькие микроинструменты, но когда вы снижаете скорость подачи до 30 000 с лишним об/мин, вы просто толкаете материал, и инструмент ломается», — говорит он. «Необходимо использовать рекомендуемую скорость подачи, чтобы инструмент работал правильно, независимо от его размера».

Сами траектории инструментов также могут нуждаться в настройке. Дункансон предположил, что трохоидальное резание по-прежнему имеет место, но поскольку микроконцевые фрезы часто ограничиваются двумя канавками и имеют относительно большой радиус действия, может потребоваться другая стратегия фрезерования.

«Многие микроконцевые фрезы имеют очень короткую длину режущей кромки — часто всего в один-два раза больше диаметра — с уменьшенной шейкой в ​​10 или даже 20 раз по сравнению с длиной», — говорит он. «С этими инструментами вы будете выполнять очень неглубокий осевой рез и использовать относительно большое количество шагов».

Наконец, потенциальные микромеханики должны иметь соответствующий бюджет на инструменты. Как фрезерование и сверление инструментами размером с грифель карандаша не для слабонервных, так и шлифование таких инструментов не для слабонервных. Дункансон и другие говорят, что шлифовальные станки высокого класса и специальные круги с мелким зерном необходимы для достижения чрезвычайно гладкой поверхности и острых краев, присущих их продуктам. Тем не менее процент брака увеличивается, а иногда и значительно, по мере уменьшения размера инструмента. Результатом является более высокая стоимость инструмента.

«Посмотрите на режущую кромку стандартной концевой фрезы 1/2 дюйма под микроскопом, — говорит он. «Независимо от того, насколько хорош инструмент, вы увидите от двух до трех микрон микросколов и изломов кромок. Вот почему большинство производителей слегка хонингуют свои инструменты, чтобы сгладить трещины и, по сути, предварительно изнашивать инструмент. Однако вы не можете сделать это, когда инструмент в десять раз меньше, так же как вы не можете нанести те же самые покрытия толщиной от пяти до десяти микрон. Все должно быть как можно более резким».

Методы микрообработки

Несмотря на все эти разговоры об острых инструментах и ​​специальном шлифовальном оборудовании, большая часть современной «микрообработки» отличается от описанной здесь. Да, значительное количество операций выполняется с использованием обычных режущих инструментов на токарных станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах, как только что обсуждалось. Но есть также лазерная микрообработка (см. врезку), микроэрозионная обработка и тип микрообработки, который точнее было бы назвать микрообработкой.

Существуют два таких процесса изготовления. Первый из них — объемная микрообработка — обычно используется для создания МЭМС (микроэлектромеханических систем) посредством селективного травления кремниевой подложки. Если бы МЭМС-устройство было размером с дом, большая его часть находилась бы под землей, выкапывая ее с помощью ряда едких химикатов, пока не были бы созданы желаемая структура и механические свойства.

Поверхностная микрообработка, с другой стороны, строит «дом» внутри поверхностного слоя, нанесенного поверх кремниевой пластины. Части этого кристаллического слоя толщиной примерно 25 микрон выборочно удаляются с помощью аналогичного процесса химического травления. Оба процесса имеют свои плюсы и минусы, и оба используются для производства широкого спектра чрезвычайно маленьких устройств. К ним относятся МЭМС, инерциальные датчики, гироскопы и датчики давления, которые можно найти в смартфонах, автомобилях, самолетах и ​​различных промышленных продуктах высокого класса.

Какие методы микрообработки вы считаете наиболее полезными? Поделитесь своими мыслями в комментариях ниже.