En la actualidad, el microcorte se ha convertido en una tecnología importante para superar las limitaciones de la tecnología MEMS. La tecnología de microfresado se ha convertido en un foco de investigación muy activo debido a su alta eficiencia, alta flexibilidad y capacidad para procesar formas tridimensionales complejas y una variedad de materiales.
Microfresa y su tecnología de fabricación
Proceso de fabricación y rendimiento de las herramientas
El rectificado es un proceso tradicional de fabricación de fresas, pero para Fresas de diámetro micro Con un diámetro de sólo unas décimas de milímetro, es muy difícil rectificar un filo afilado en un material de herramienta no homogéneo bajo la acción de la fuerza de rectificado, lo que también se ha convertido en un cuello de botella técnico en el desarrollo de fresas de diámetro micrométrico. Para ello, desde un punto de vista teórico y experimental, se puede seleccionar un método de procesamiento que no genere fuerza de corte (como el procesamiento láser, el procesamiento con haz de iones enfocado, etc.).
El método de procesamiento de haz de iones enfocado es más adecuado para la fabricación de fresas de microdiámetro en principio. Friedrich, Vasile y otros utilizaron la tecnología de procesamiento de haz de iones enfocado para fabricar fresas de microdiámetro con un diámetro mínimo de 22 mm. Utilizando una fresa de microdiámetro y una fresadora de alta precisión personalizada, se mecanizó una estructura de microranura de pared recta de 89,5° con una profundidad de 62 mm y un espesor de nervadura de 8 mm entre ranuras en polimetilmetacrilato (PMMA). Adams y otros utilizaron la tecnología de procesamiento de haz de iones enfocado para fabricar algunas fresas de microdiámetro con un diámetro de aproximadamente 25 μm. Sus formas de contorno incluyen diedro, tetraedro y hexaedro, y los filos de corte se dividen en 2 filos, 4 filos y 6 filos. Los materiales de la herramienta son acero de alta velocidad y carburo cementado. Estas herramientas se utilizaron para realizar microfresado en cuatro materiales de pieza de trabajo: aluminio, latón, acero 4340 y PMMA. Sin embargo, dado que el uso de fresas de microdiámetro para el corte debe utilizar una pequeña velocidad de avance y el desgaste de la herramienta es severo, las rebabas de procesamiento son grandes y el efecto de procesamiento sigue siendo insatisfactorio.
La geometría de la hoja de la molino de extremo Incluye principalmente cuatro tipos: fresa de extremo de cuerpo recto, fresa de extremo de cono triangular (tipo D), fresa de extremo semicircular (tipo D) y fresa de extremo de borde espiral comercializada. Fang et al. realizaron un estudio y una comparación de las cuatro fresas de extremo anteriores en función de la rigidez de la herramienta y el rendimiento de procesamiento a través de experimentos y análisis de elementos finitos. Los resultados muestran que la fresa de extremo de cono tipo D es más adecuada para el microcorte, y una fresa de extremo de cono con un diámetro de 0,1 mm se utilizó con éxito para producir piezas biomédicas con un tamaño de característica de menos de 50 μm y moldes de microestampado con un tamaño de característica de menos de 80 μm.
Sin embargo, desde un punto de vista práctico y perspectivas de aplicación, se debe dar prioridad a las fresas de extremo de microdiámetro de hoja espiral comercializadas, y se realizan muchos estudios sobre este tipo de fresa. En la actualidad, las fresas de extremo de carburo con un diámetro de 0,1 mm se han comercializado en el extranjero (en China, también se han comercializado fresas de extremo con un diámetro de 0,2 mm), y también han comenzado a cotizarse fresas de extremo con un diámetro de 50 μm. En la actualidad, la fabricación de tales fresas todavía depende de rectificadoras de herramientas de alto rendimiento.
En Europa, se utilizan fresas de microdiámetro (diámetro mínimo 50 μm) para procesar moldes de inyección para microcomponentes plásticos. La dureza del molde alcanza los 53 HRC, la precisión de fresado es <5 μm y la rugosidad superficial Ra es <0,2 μm. Estados Unidos ha desarrollado un nuevo tipo de fresa de microdiámetro específicamente para el procesamiento de moldes y moldes duros, que puede realizar un procesamiento de corte a alta velocidad en materiales de alta dureza como grafito y acero (velocidad de corte 30 m/min, hasta 150 m/min). Investigadores suizos llevaron a cabo un experimento sobre corte a alta velocidad de materiales duros, utilizando una fresa de microdiámetro recubierta de TiAlN de 0,5 mm de diámetro para cortar acero inoxidable 316L, con una profundidad de corte de 0,1 mm, una velocidad de corte de 80 m/min, una velocidad de husillo de 50000 r/min y una velocidad de avance de 240 mm/min. Los resultados experimentales mostraron que la vida útil de la herramienta alcanzó las 8 horas (117 m).
Materiales para herramientas de microfresado
Como materiales para herramientas, el diamante, el nitruro de boro cúbico, la cerámica, etc. tienen sus propias ventajas y limitaciones. El más utilizado es el carburo cementado. En la actualidad, más de 90% de herramientas de torneado y más de 55% de fresas en el extranjero están hechas de carburo cementado. En el campo de las fresas de microdiámetro, el material de la herramienta también es principalmente carburo cementado. El carburo cementado es un cuerpo sinterizado compuesto de muchos granos. El tamaño del grano determina la agudeza microscópica de la hoja. Para obtener una hoja afilada, generalmente se utiliza carburo cementado de grano ultrafino de tipo tungsteno-cobalto. En la actualidad, el tamaño de grano del carburo cementado de grano ultrafino es de aproximadamente 0,5 mm y el radio del arco del filo de corte es de varias micras.
El desarrollo y la aplicación de materiales de carburo cementado de grano fino y ultrafino es la dirección de desarrollo para mejorar aún más la confiabilidad del uso de las herramientas. Su característica es desarrollar continuamente nuevos grados de materiales para herramientas para que sean más adecuados para los materiales procesados y las condiciones de corte, a fin de lograr el propósito de mejorar la eficiencia de corte. Los fabricantes de herramientas adoptan la estrategia de "recetar el medicamento adecuado para la enfermedad adecuada" y desarrollan continuamente nuevos grados de herramientas con características específicas de procesamiento. Por ejemplo, los nuevos grados lanzados por Kennametal en los Estados Unidos para el procesamiento de torneado incluyen: KC9110 para procesar acero, KC9225 para procesar acero inoxidable, KY1310 para procesar hierro fundido, KC5410 para procesar aleaciones resistentes al calor, KC5510 para procesar materiales endurecidos, KY1615 para procesar materiales no ferrosos, etc.
En comparación con los antiguos grados originales, los nuevos grados pueden mejorar la eficiencia de corte en un promedio de 15% a 20%. En segundo lugar, en el desarrollo de nuevos grados, se presta más atención a la combinación optimizada de sustrato y recubrimiento para lograr mejor el propósito del desarrollo de la aplicabilidad. Además, el desarrollo de nuevos grados generalmente también incluye la mejora de la forma de ranura de la herramienta correspondiente y los parámetros geométricos. Con el fin de adaptarse mejor a las características de los materiales procesados y los requisitos de los diferentes procesos para la rotura de viruta, y para reducir la fuerza de corte y la vibración, a fin de hacer que el corte sea más ligero y eficiente.
Recubrimientos para herramientas de microfresa
El recubrimiento tiene una gran dureza, resistencia al desgaste y estabilidad química. Puede evitar la interacción entre los materiales de la herramienta, la viruta y la pieza de trabajo y actuar como una barrera térmica. Puede reducir el desgaste por adherencia, el desgaste por disolución, el desgaste por descascarillado de la superficie de la herramienta, etc. Puede retrasar eficazmente la aparición del desgaste de la herramienta. Por lo tanto, la aplicación del recubrimiento puede mejorar en gran medida el rendimiento de la herramienta.
Los recubrimientos se pueden dividir en dos categorías según su composición y función: uno es el recubrimiento “duro”, que se caracteriza por una alta dureza y una buena resistencia al desgaste. El otro es el recubrimiento “blando”, que reduce principalmente la fricción, reduce la fuerza de corte y la temperatura de corte. Los recubrimientos se pueden dividir en recubrimientos de una sola capa, recubrimientos multicapa, recubrimientos compuestos, recubrimientos de gradiente, recubrimientos nano-multicapa, recubrimientos de estructura nano-compuesta, etc. según su estructura. Al seleccionar recubrimientos, se debe considerar el espesor, la suavidad y la compatibilidad del recubrimiento con el carburo base.
Las características de desarrollo de los recubrimientos para herramientas son la diversificación y la serialización. El desarrollo y la aplicación de nanorrecubrimientos, recubrimientos de estructura de gradiente y recubrimientos de nueva estructura y material han desempeñado un papel importante en la mejora del rendimiento de las herramientas. Entre los innumerables productos de recubrimiento nuevos, existen recubrimientos resistentes al desgaste y al calor adecuados para corte de alta velocidad, corte en seco y corte duro. También existen recubrimientos tenaces que son adecuados para corte intermitente. También existen recubrimientos lubricantes que son adecuados para corte en seco y necesitan reducir el coeficiente de fricción.
Los recubrimientos de diamante también se han aplicado para mejorar la eficiencia de procesamiento de metales no ferrosos y materiales no metálicos como las aleaciones de aluminio. La aplicación práctica de varios nano recubrimientos (incluidos los nanocristalizados, nanoespesores de capa y nanoestructuras) ha mejorado enormemente el rendimiento de los recubrimientos. El último logro de la tecnología de nano recubrimiento es el desarrollo de fresas de extremo recubiertas de TiSiN y CrSiN, ambas con un tamaño de partícula de 5 nm. Además, al mejorar el acabado de la superficie del recubrimiento, se pueden mejorar las capacidades antifricción y antiadherencias de la herramienta recubierta.
En la actualidad, en el campo del microfresado, se han logrado muchos resultados en la investigación sobre la rugosidad de la superficie de mecanizado. Sin embargo, no hay muchos estudios sobre el endurecimiento por deformación y la tensión residual, y la investigación sobre la fuerza de corte no está lo suficientemente madura. Para mejorar el efecto de procesamiento del microfresado, se puede estudiar de forma exhaustiva la influencia de factores como la fuerza de corte, la calidad de procesamiento, el desgaste de la herramienta y la vibración de procesamiento. A través de la investigación y el desarrollo en profundidad de la tecnología de microfresado, se puede mejorar aún más la capacidad de procesamiento de las micromáquinas herramienta. Con la creciente demanda del mercado de micropiezas tridimensionales de precisión, la tecnología de microfresado seguramente tendrá un gran potencial.
