현재, 마이크로커팅은 MEMS 기술의 한계를 극복하는 중요한 기술이 되었습니다. 마이크로 밀링 기술은 높은 효율성, 높은 유연성, 복잡한 3차원 모양과 다양한 재료를 처리하는 능력으로 인해 매우 활발한 연구 핫스팟이 되었습니다.
마이크로 밀링 커터 및 그 제조 기술
제조 공정 및 도구 성능
연삭은 전통적인 밀링 커터 제조 공정이지만 마이크로 직경 밀링 커터 직경이 몇 10분의 1 밀리미터에 불과합니다. 연삭력의 작용 하에 불균일한 공구 재료에 날카로운 절삭 날을 연삭하는 것은 매우 어렵습니다. 이는 또한 마이크로 직경 밀링 커터 개발에 있어서 기술적 병목 현상이 되었습니다. 이를 위해 이론 및 실험적 관점에서 절삭력을 발생시키지 않는 가공 방법을 선택할 수 있습니다(예: 레이저 가공, 집속 이온 빔 가공 등).
초점 이온 빔 가공 방법은 원칙적으로 마이크로 직경 밀링 커터를 제조하는 데 더 적합합니다. Friedrich, Vasile 등은 초점 이온 빔 가공 기술을 사용하여 최소 직경 22mm의 마이크로 직경 밀링 커터를 만들었습니다. 마이크로 직경 밀링 커터와 맞춤형 고정밀 밀링 머신을 사용하여 홈 사이의 깊이가 62mm이고 리브 두께가 8mm인 89.5° 직벽 마이크로 홈 구조를 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)에서 가공했습니다. Adams 등은 초점 이온 빔 가공 기술을 사용하여 직경이 약 25μm인 일부 마이크로 직경 밀링 커터를 만들었습니다. 그 윤곽 모양에는 2면체, 사면체 및 육면체가 포함되며 절삭 날은 2날, 4날 및 6날로 나뉩니다. 공구 재료는 고속강과 시멘트 카바이드입니다. 이러한 도구는 알루미늄, 황동, 4340 강철 및 PMMA의 네 가지 작업물 재료에 대한 마이크로 밀링을 수행하는 데 사용되었습니다. 그러나 절단을 위한 마이크로 직경 밀링 커터를 사용하려면 작은 이송 속도를 사용해야 하며 도구 마모가 심하기 때문에 가공 버가 크고 가공 효과가 여전히 만족스럽지 않습니다.
블레이드의 형상 엔드밀 주로 직선 바디, 원뿔 삼각형(D형), 반원형(D형) 및 상용화된 나선형 에지 엔드 밀의 네 가지 유형이 포함됩니다. Fang et al.은 실험 및 유한 요소 분석을 통해 도구 강성과 가공 성능을 기반으로 위의 네 가지 엔드 밀에 대한 연구 및 비교를 수행했습니다. 결과에 따르면 원뿔 D형 엔드 밀은 마이크로 커팅에 더 적합하며 직경 0.1mm의 원뿔 엔드 밀은 피처 크기가 50μm 미만인 생물 의학 부품과 피처 크기가 80μm 미만인 마이크로 엠보싱 금형을 생산하는 데 성공적으로 사용되었습니다.
그러나 실용적인 관점과 응용 전망에서 상용화된 나선형 블레이드 마이크로 직경 엔드밀이 우선되어야 하며, 이러한 유형의 밀링 커터에 대한 많은 연구가 수행되고 있습니다. 현재 직경 0.1mm의 카바이드 엔드밀은 해외에서 상용화되었으며(중국에서는 직경 0.2mm의 엔드밀도 상용화됨) 직경 50μm의 엔드밀도 상장되기 시작했습니다. 현재 이러한 밀링 커터의 제조는 여전히 고성능 공구 연삭기에 의존하고 있습니다.
유럽에서는 마이크로 직경 엔드밀(최소 직경 50μm)을 사용하여 마이크로 플라스틱 구성품의 사출 금형을 가공합니다. 금형 경도는 53HRC에 도달하고, 밀링 정확도는 <5μm이며, 표면 거칠기 Ra는 <0.2μm입니다. 미국은 흑연 및 강철과 같은 고경도 재료에서 고속 절단 가공을 수행할 수 있는 금형 및 경질 금형 가공을 위한 새로운 유형의 마이크로 직경 밀링 커터를 개발했습니다(절삭 속도 30m/min, 최대 150m/min). 스위스 연구원은 0.5mm 직경 TiAlN 코팅 마이크로 직경 밀링 커터를 사용하여 316L 스테인리스 스틸을 절단하는 경질 재료의 고속 절단에 대한 실험을 수행했으며, 절단 깊이는 0.1mm, 절단 속도는 80m/min, 스핀들 속도는 50000r/min, 이송 속도는 240mm/min입니다. 실험 결과, 공구 수명은 8시간(117m)에 도달한 것으로 나타났습니다.
마이크로 밀링 커터 도구 재료
공구 소재로서 다이아몬드, 입방정 질화붕소, 세라믹 등은 모두 고유한 장점과 한계를 가지고 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 것은 시멘트 카바이드입니다. 현재 해외의 90% 이상의 선삭 공구와 55% 이상의 밀링 커터가 시멘트 카바이드로 만들어졌습니다. 마이크로 직경 밀링 커터 분야에서 공구 소재도 주로 시멘트 카바이드입니다. 시멘트 카바이드는 많은 입자로 구성된 소결체입니다. 입자의 크기는 블레이드의 미세한 날카로움을 결정합니다. 날카로운 블레이드를 얻기 위해 일반적으로 텅스텐-코발트 유형의 초미립자 시멘트 카바이드를 사용합니다. 현재 초미립자 시멘트 카바이드의 입자 크기는 약 0.5mm이고 절삭 날 호의 반경은 수 미크론입니다.
미립자 및 초미립자 시멘트 카바이드 재료의 개발 및 응용은 공구 사용의 신뢰성을 더욱 개선하기 위한 개발 방향입니다. 그 특징은 가공된 재료와 절삭 조건에 더 적합하도록 새로운 등급의 공구 재료를 지속적으로 개발하여 절삭 효율을 개선하는 목적을 달성하는 것입니다. 공구 제조업체는 "적절한 질병에 대한 적절한 약을 처방"하는 전략을 채택하고 가공 특정 기능을 갖춘 새로운 등급의 공구를 지속적으로 개발합니다. 예를 들어, Kennametal이 미국에서 선삭 가공을 위해 출시한 새로운 등급에는 강철 가공용 KC9110, 스테인리스 강철 가공용 KC9225, 주철 가공용 KY1310, 내열 합금 가공용 KC5410, 경화 재료 가공용 KC5510, 비철 재료 가공용 KY1615 등이 있습니다.
원래의 오래된 등급과 비교했을 때, 새로운 등급은 절삭 효율을 평균 15%에서 20%까지 향상시킬 수 있습니다. 둘째, 새로운 등급을 개발할 때 기판과 코팅의 최적화된 조합에 더 많은 주의를 기울여 적용성 개발의 목적을 더 잘 달성합니다. 또한, 새로운 등급을 개발하는 데는 일반적으로 해당 공구 홈 모양과 기하학적 매개변수의 개선도 포함됩니다. 가공된 재료의 특성과 칩 브레이킹에 대한 다양한 공정의 요구 사항에 더 잘 적응하고 절삭력과 진동을 줄여 절삭을 더 가볍고 효율적으로 만들기 위해.
마이크로 엔드밀 도구 코팅
코팅은 경도, 내마모성 및 화학적 안정성이 높습니다. 공구-칩-작업물 재료 간의 상호 작용을 방지하고 열 장벽 역할을 할 수 있습니다. 공구의 접착 마모, 용해 마모, 표면 벗겨짐 마모 등을 줄일 수 있습니다. 공구 마모 발생을 효과적으로 지연시킬 수 있습니다. 따라서 코팅을 적용하면 공구의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
코팅은 구성과 기능에 따라 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 높은 경도와 우수한 내마모성을 특징으로 하는 "하드" 코팅입니다. 다른 하나는 주로 마찰을 줄이고 절삭력과 절삭 온도를 낮추는 "소프트" 코팅입니다. 코팅은 구조에 따라 단층 코팅, 다층 코팅, 복합 코팅, 그래디언트 코팅, 나노 다층 코팅, 나노 복합 구조 코팅 등으로 나눌 수 있습니다. 코팅을 선택할 때는 코팅의 두께, 매끄러움 및 기본 카바이드와의 호환성을 고려해야 합니다.
공구 코팅의 개발 특성은 다양화와 직렬화입니다. 나노 코팅, 그래디언트 구조 코팅 및 새로운 구조 및 재료 코팅의 개발 및 적용은 공구의 성능을 개선하는 데 중요한 역할을 했습니다. 끝없는 새로운 코팅 제품 중에는 고속 절삭, 건식 절삭 및 경절삭에 적합한 내마모성 및 내열성 코팅이 있습니다. 간헐적 절삭에 적합한 강인한 코팅도 있습니다. 건식 절삭에 적합하고 마찰 계수를 줄여야 하는 윤활 코팅도 있습니다.
다이아몬드 코팅은 또한 비철 금속 및 알루미늄 합금과 같은 비금속 재료의 가공 효율을 개선하기 위해 추가로 적용되었습니다. 다양한 나노 코팅(나노 결정화, 나노 층 두께 및 나노 구조 코팅 포함)의 실제 적용은 코팅의 성능을 크게 개선했습니다. 나노 코팅 기술의 최신 성과는 TiSiN 및 CrSiN 코팅 엔드밀의 개발로, 둘 다 입자 크기가 5nm입니다. 또한 코팅의 표면 마감을 개선함으로써 코팅된 도구의 마찰 방지 및 접착 방지 기능을 개선할 수 있습니다.
현재 마이크로 밀링 분야에서는 가공 표면 거칠기에 대한 연구에서 많은 성과가 달성되었습니다. 그러나 가공 경화 및 잔류 응력에 대한 연구는 많지 않으며 절삭력에 대한 연구는 아직 성숙되지 않았습니다. 마이크로 밀링의 가공 효과를 개선하기 위해 절삭력, 가공 품질, 공구 마모 및 가공 진동과 같은 요소의 영향을 종합적으로 연구할 수 있습니다. 마이크로 밀링 기술의 심층적인 연구 개발을 통해 마이크로 공작 기계의 가공 능력을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 정밀 3차원 마이크로 부품에 대한 시장 수요가 증가함에 따라 마이크로 밀링 기술은 확실히 큰 잠재력을 가질 것입니다.
