Gegenwärtig ist das Mikroschneiden eine wichtige Technologie, um die Einschränkungen der MEMS-Technologie zu überwinden. Die Mikrofrästechnologie ist aufgrund ihrer hohen Effizienz, hohen Flexibilität und Fähigkeit, komplexe dreidimensionale Formen und eine Vielzahl von Materialien zu verarbeiten, zu einem sehr aktiven Forschungsschwerpunkt geworden.
Mikrofräser und seine Fertigungstechnologie
Herstellungsprozess und Werkzeugleistung
Schleifen ist ein traditioneller Fräserherstellungsprozess, aber für Mikrodurchmesser-Fräser mit einem Durchmesser von nur wenigen Zehntel Millimetern. Es ist sehr schwierig, unter Einwirkung von Schleifkraft eine scharfe Schneide auf einem inhomogenen Werkzeugmaterial zu schleifen. Dies ist auch zu einem technischen Engpass bei der Entwicklung von Fräsern mit Mikrodurchmesser geworden. Zu diesem Zweck kann aus theoretischer und experimenteller Sicht ein Verarbeitungsverfahren ausgewählt werden, bei dem keine Schnittkraft erzeugt wird (z. B. Laserverarbeitung, fokussierte Ionenstrahlverarbeitung usw.).
Das Verfahren der fokussierten Ionenstrahlbearbeitung eignet sich grundsätzlich besser zur Herstellung von Mikrofräsern. Friedrich, Vasile und andere verwendeten die Technologie der fokussierten Ionenstrahlbearbeitung, um Mikrofräser mit einem Mindestdurchmesser von 22 mm herzustellen. Mithilfe eines Mikrofräsers und einer angepassten hochpräzisen Fräsmaschine wurde in Polymethylmethacrylat (PMMA) eine 89,5°-Mikrorillenstruktur mit gerader Wand, einer Tiefe von 62 mm und einer Rippendicke von 8 mm zwischen den Rillen hergestellt. Adams und andere verwendeten die Technologie der fokussierten Ionenstrahlbearbeitung, um einige Mikrofräser mit einem Durchmesser von etwa 25 μm herzustellen. Ihre Konturformen umfassen Dieder, Tetraeder und Hexaeder, und die Schneidkanten sind in 2-schneidig, 4-schneidig und 6-schneidig unterteilt. Die Werkzeugmaterialien sind Schnellarbeitsstahl und Hartmetall. Diese Werkzeuge wurden zum Mikrofräsen an vier Werkstückmaterialien verwendet: Aluminium, Messing, 4340-Stahl und PMMA. Da jedoch beim Schneiden mit Mikrodurchmesserfräsern eine geringe Vorschubgeschwindigkeit erforderlich ist und der Werkzeugverschleiß stark ist, sind die Bearbeitungsgrate groß und die Bearbeitungswirkung ist immer noch unbefriedigend.
Die Blattgeometrie des Schaftfräser umfasst hauptsächlich vier Typen: gerader Körper, Kegeldreieck (D-Typ), halbrund (D-Typ) und kommerzieller Spiralkanten-Schaftfräser. Fang et al. haben eine Studie und einen Vergleich der oben genannten vier Schaftfräser anhand von Werkzeugsteifigkeit und Verarbeitungsleistung durch Experimente und Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kegel-Schaftfräser vom D-Typ besser zum Mikroschneiden geeignet ist und ein Kegel-Schaftfräser mit einem Durchmesser von 0,1 mm erfolgreich zur Herstellung biomedizinischer Teile mit einer Merkmalsgröße von weniger als 50 μm und Mikroprägeformen mit einer Merkmalsgröße von weniger als 80 μm verwendet wurde.
Aus praktischer Sicht und in Bezug auf die Anwendungsaussichten sollten jedoch kommerziell erhältliche Spiralklingen-Schaftfräser mit Mikrodurchmesser bevorzugt werden, und es werden viele Studien zu diesem Fräsertyp durchgeführt. Derzeit werden Hartmetall-Schaftfräser mit einem Durchmesser von 0,1 mm im Ausland kommerziell vertrieben (in China werden auch Schaftfräser mit einem Durchmesser von 0,2 mm vertrieben), und Schaftfräser mit einem Durchmesser von 50 μm werden ebenfalls zunehmend angeboten. Derzeit hängt die Herstellung solcher Fräser noch von Hochleistungs-Werkzeugschleifmaschinen ab.
In Europa werden Mikrofräser (Mindestdurchmesser 50 μm) zur Herstellung von Spritzgussformen für Mikrokunststoffkomponenten verwendet. Die Formhärte erreicht 53 HRC, die Fräsgenauigkeit liegt bei < 5 μm und die Oberflächenrauheit Ra bei < 0,2 μm. In den USA wurde speziell für die Bearbeitung von Formen und harten Formen ein neuer Typ von Mikrofräser entwickelt, mit dem Hochgeschwindigkeitsschneidarbeiten an Materialien mit hoher Härte wie Graphit und Stahl durchgeführt werden können (Schnittgeschwindigkeit 30 m/min, bis zu 150 m/min). Schweizer Forscher führten ein Experiment zum Hochgeschwindigkeitsschneiden von harten Materialien durch. Dabei verwendeten sie einen Mikrofräser mit 0,5 mm Durchmesser und TiAlN-Beschichtung zum Schneiden von Edelstahl 316L mit einer Schnitttiefe von 0,1 mm, einer Schnittgeschwindigkeit von 80 m/min, einer Spindeldrehzahl von 50.000 U/min und einem Vorschub von 240 mm/min. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Standzeit 8 Stunden (117 m) erreichte.
Mikrofräser-Werkzeugmaterialien
Als Werkzeugmaterialien haben Diamant, kubisches Bornitrid, Keramik usw. jeweils ihre eigenen Vorteile und Nachteile. Am häufigsten wird Hartmetall verwendet. Derzeit bestehen im Ausland mehr als 901 Tonnen Drehwerkzeuge und mehr als 551 Tonnen Fräser aus Hartmetall. Im Bereich der Mikrofräser besteht das Werkzeugmaterial ebenfalls hauptsächlich aus Hartmetall. Hartmetall ist ein Sinterkörper, der aus vielen Körnern besteht. Die Größe der Körner bestimmt die mikroskopische Schärfe der Klinge. Um eine scharfe Klinge zu erhalten, wird normalerweise ultrafeinkörniges Hartmetall vom Wolfram-Kobalt-Typ verwendet. Derzeit beträgt die Korngröße von ultrafeinkörnigem Hartmetall etwa 0,5 mm und der Radius des Schneidkantenbogens beträgt mehrere Mikrometer.
Die Entwicklung und Anwendung von feinkörnigen und ultrafeinkörnigen Hartmetallmaterialien ist die Entwicklungsrichtung, um die Zuverlässigkeit des Werkzeugeinsatzes weiter zu verbessern. Ihr Merkmal ist die kontinuierliche Entwicklung neuer Güteklassen von Werkzeugmaterialien, um sie besser an die verarbeiteten Materialien und Schnittbedingungen anzupassen und so das Ziel einer Verbesserung der Schneidleistung zu erreichen. Werkzeughersteller verfolgen die Strategie, „das richtige Medikament für die richtige Krankheit zu verschreiben“ und entwickeln kontinuierlich neue Güteklassen von Werkzeugen mit verarbeitungsspezifischen Merkmalen. Zu den neuen Güteklassen, die Kennametal in den USA für die Drehverarbeitung auf den Markt gebracht hat, gehören beispielsweise: KC9110 für die Stahlverarbeitung, KC9225 für die Edelstahlverarbeitung, KY1310 für die Gusseisenverarbeitung, KC5410 für die Verarbeitung hitzebeständiger Legierungen, KC5510 für die Verarbeitung gehärteter Materialien, KY1615 für die Verarbeitung nicht eisenhaltiger Materialien usw.
Im Vergleich zu den ursprünglichen alten Sorten können die neuen Sorten die Schneidleistung um durchschnittlich 15% bis 20% verbessern. Zweitens wird bei der Entwicklung neuer Sorten mehr Wert auf die optimierte Kombination von Substrat und Beschichtung gelegt, um den Zweck der Anwendbarkeitsentwicklung besser zu erreichen. Darüber hinaus umfasst die Entwicklung neuer Sorten normalerweise auch die Verbesserung der entsprechenden Werkzeugnutform und der geometrischen Parameter. Um sich besser an die Eigenschaften der verarbeiteten Materialien und die Anforderungen verschiedener Prozesse an den Spanbruch anzupassen und Schnittkraft und Vibration zu reduzieren, um das Schneiden leichter und effizienter zu machen.
Beschichtungen für Mikro-Schaftfräser
Die Beschichtung weist eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität auf. Sie kann die Wechselwirkung zwischen Werkzeug-Span-Werkstückmaterialien verhindern und als Wärmebarriere wirken. Sie kann den Adhäsionsverschleiß, den Auflösungsverschleiß, den Oberflächenablösungsverschleiß des Werkzeugs usw. verringern. Sie kann das Auftreten von Werkzeugverschleiß wirksam verzögern. Daher kann das Auftragen einer Beschichtung die Leistung des Werkzeugs erheblich verbessern.
Beschichtungen können je nach Zusammensetzung und Funktion in zwei Kategorien unterteilt werden: Eine ist die „harte“ Beschichtung, die sich durch hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit auszeichnet. Die andere ist die „weiche“ Beschichtung, die hauptsächlich die Reibung verringert und die Schnittkraft und die Schnitttemperatur senkt. Beschichtungen können je nach Struktur in einschichtige Beschichtungen, mehrschichtige Beschichtungen, Verbundbeschichtungen, Gradientenbeschichtungen, Nano-Mehrschichtbeschichtungen, Nano-Verbundstrukturbeschichtungen usw. unterteilt werden. Bei der Auswahl der Beschichtungen sollten Dicke, Glätte und Kompatibilität der Beschichtung mit dem Basiskarbid berücksichtigt werden.
Die Entwicklungsmerkmale von Werkzeugbeschichtungen sind Diversifizierung und Serialisierung. Die Entwicklung und Anwendung von Nanobeschichtungen, Gradientenstrukturbeschichtungen und neuen Struktur- und Materialbeschichtungen haben eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Leistung von Werkzeugen gespielt. Unter den endlosen neuen Beschichtungsprodukten gibt es verschleißfeste und hitzebeständige Beschichtungen, die für Hochgeschwindigkeitsschneiden, Trockenschneiden und Hartschneiden geeignet sind. Es gibt auch robuste Beschichtungen, die für intermittierendes Schneiden geeignet sind. Es gibt auch Schmierbeschichtungen, die für Trockenschneiden geeignet sind und den Reibungskoeffizienten reduzieren müssen.
Diamantbeschichtungen werden auch eingesetzt, um die Verarbeitungseffizienz von Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Materialien wie Aluminiumlegierungen zu verbessern. Die praktische Anwendung verschiedener Nanobeschichtungen (einschließlich Nanokristallisation, Nanoschichtdicke und Nanostrukturbeschichtungen) hat die Leistung von Beschichtungen erheblich verbessert. Die neueste Errungenschaft der Nanobeschichtungstechnologie ist die Entwicklung von TiSiN- und CrSiN-beschichteten Schaftfräsern, die beide eine Partikelgröße von 5 nm aufweisen. Darüber hinaus können durch die Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung die Reibungs- und Antihafteigenschaften des beschichteten Werkzeugs verbessert werden.
Derzeit wurden im Bereich des Mikrofräsens viele Ergebnisse bei der Erforschung der Rauheit der Bearbeitungsoberfläche erzielt. Es gibt jedoch nicht viele Studien zur Kaltverfestigung und Eigenspannung, und die Forschung zur Schnittkraft ist noch nicht ausgereift genug. Um die Verarbeitungswirkung des Mikrofräsens zu verbessern, kann der Einfluss von Faktoren wie Schnittkraft, Verarbeitungsqualität, Werkzeugverschleiß und Verarbeitungsvibration umfassend untersucht werden. Durch eingehende Forschung und Entwicklung der Mikrofrästechnologie kann die Verarbeitungskapazität von Mikrowerkzeugmaschinen weiter verbessert werden. Angesichts der steigenden Marktnachfrage nach präzisen dreidimensionalen Mikroteilen wird die Mikrofrästechnologie sicherlich großes Potenzial haben.
