Atualmente, o microcorte se tornou uma tecnologia importante para superar as limitações da tecnologia MEMS. A tecnologia de microfresagem se tornou um hotspot de pesquisa muito ativo devido à sua alta eficiência, alta flexibilidade e capacidade de processar formas tridimensionais complexas e uma variedade de materiais.
Micro Fresa e sua Tecnologia de Fabricação
Processo de fabricação e desempenho de ferramentas
A retificação é um processo tradicional de fabricação de fresas, mas para fresas de microdiâmetro com um diâmetro de apenas alguns décimos de milímetro. É muito difícil retificar uma aresta de corte afiada em um material de ferramenta não homogêneo sob a ação da força de retificação. Isso também se tornou um gargalo técnico no desenvolvimento de fresas de microdiâmetro. Para esse fim, de um ponto de vista teórico e experimental, um método de processamento que não gere força de corte pode ser selecionado (como processamento a laser, processamento de feixe de íons focado, etc.).
O método de processamento de feixe de íons focado é mais adequado para a fabricação de fresas de microdiâmetro em princípio. Friedrich, Vasile e outros usaram a tecnologia de processamento de feixe de íons focado para fazer fresas de microdiâmetro com um diâmetro mínimo de 22 mm. Usando uma fresa de microdiâmetro e uma fresadora de alta precisão personalizada, uma estrutura de microranhuras de parede reta de 89,5° com uma profundidade de 62 mm e uma espessura de nervura de 8 mm entre as ranhuras foi usinada em polimetilmetacrilato (PMMA). Adams e outros usaram a tecnologia de processamento de feixe de íons focado para fazer algumas fresas de microdiâmetro com um diâmetro de cerca de 25 μm. Seus formatos de contorno incluem diedro, tetraedro e hexaedro, e as arestas de corte são divididas em 2 arestas, 4 arestas e 6 arestas. Os materiais da ferramenta são aço rápido e carboneto cimentado. Essas ferramentas foram usadas para executar microfresamento em quatro materiais de peças de trabalho: alumínio, latão, aço 4340 e PMMA. No entanto, como o uso de fresas de microdiâmetro para corte deve usar uma pequena taxa de avanço, e o desgaste da ferramenta é severo, as rebarbas de processamento são grandes, e o efeito do processamento ainda é insatisfatório.
A geometria da lâmina do fresa final inclui principalmente quatro tipos: corpo reto, triângulo cônico (tipo D), semicircular (tipo D) e fresa de ponta espiral comercializada. Fang et al. conduziram um estudo e comparação das quatro fresas de ponta acima com base na rigidez da ferramenta e no desempenho do processamento por meio de experimentos e análise de elementos finitos. Os resultados mostram que a fresa de ponta cônica tipo D é mais adequada para microcorte, e uma fresa de ponta cônica com diâmetro de 0,1 mm foi usada com sucesso para produzir peças biomédicas com tamanho de característica menor que 50 μm e moldes de microestampagem com tamanho de característica menor que 80 μm.
No entanto, de um ponto de vista prático e perspectivas de aplicação, fresas de topo de microdiâmetro de lâmina espiral comercializadas devem ter prioridade, e muitos estudos são conduzidos sobre esse tipo de fresa. Atualmente, fresas de topo de carboneto com diâmetro de 0,1 mm foram comercializadas no exterior (na China, fresas de topo com diâmetro de 0,2 mm também foram comercializadas) e fresas de topo com diâmetro de 50 μm também começaram a ser listadas. Atualmente, a fabricação dessas fresas ainda depende de retificadoras de ferramentas de alto desempenho.
Na Europa, fresas de microdiâmetro (diâmetro mínimo de 50 μm) são usadas para processar moldes de injeção para microcomponentes plásticos. A dureza do molde atinge 53HRC, a precisão de fresagem é <5 μm e a rugosidade da superfície Ra é <0,2 μm. Os Estados Unidos desenvolveram um novo tipo de fresa de microdiâmetro especificamente para processamento de moldes e moldes duros, que pode executar processamento de corte de alta velocidade em materiais de alta dureza, como grafite e aço (velocidade de corte de 30 m/min, até 150 m/min). Pesquisadores suíços conduziram um experimento sobre corte de alta velocidade de materiais duros, usando uma fresa de microdiâmetro revestida com TiAlN de 0,5 mm de diâmetro para cortar aço inoxidável 316L, com profundidade de corte de 0,1 mm, velocidade de corte de 80 m/min, velocidade do fuso de 50000 r/min e taxa de avanço de 240 mm/min. Os resultados experimentais mostraram que a vida útil da ferramenta atingiu 8 horas (117m).
Materiais para ferramentas de microfresagem
Como materiais de ferramentas, diamante, nitreto cúbico de boro, cerâmica, etc., todos têm suas próprias vantagens e limitações. O mais comumente usado é o carboneto cimentado. Atualmente, mais de 90% de ferramentas de torneamento e mais de 55% de fresas no exterior são feitas de carboneto cimentado. No campo de fresas de microdiâmetro, o material da ferramenta também é principalmente carboneto cimentado. O carboneto cimentado é um corpo sinterizado composto de muitos grãos. O tamanho do grão determina a nitidez microscópica da lâmina. Para obter uma lâmina afiada, o carboneto cimentado de grão ultrafino do tipo tungstênio-cobalto é geralmente usado. Atualmente, o tamanho do grão do carboneto cimentado de grão ultrafino é de cerca de 0,5 mm, e o raio do arco da aresta de corte é de vários mícrons.
O desenvolvimento e a aplicação de materiais de carboneto cimentado de granulação fina e ultrafina é a direção do desenvolvimento para melhorar ainda mais a confiabilidade do uso da ferramenta. Sua característica é desenvolver continuamente novos graus de materiais de ferramentas para torná-los mais adequados para os materiais processados e condições de corte, de modo a atingir o propósito de melhorar a eficiência do corte. Os fabricantes de ferramentas adotam a estratégia de "prescrever o medicamento certo para a doença certa" e desenvolvem continuamente novos graus de ferramentas com características específicas de processamento. Por exemplo, os novos graus lançados pela Kennametal nos Estados Unidos para processamento de torneamento incluem: KC9110 para processamento de aço, KC9225 para processamento de aço inoxidável, KY1310 para processamento de ferro fundido, KC5410 para processamento de ligas resistentes ao calor, KC5510 para processamento de materiais endurecidos, KY1615 para processamento de materiais não ferrosos, etc.
Comparado com as classes antigas originais, as novas classes podem melhorar a eficiência de corte em uma média de 15% a 20%. Em segundo lugar, no desenvolvimento de novas classes, mais atenção é dada à combinação otimizada de substrato e revestimento para melhor atingir o propósito de desenvolvimento de aplicabilidade. Além disso, o desenvolvimento de novas classes geralmente também inclui a melhoria do formato da ranhura da ferramenta correspondente e dos parâmetros geométricos. A fim de melhor se adaptar às características dos materiais processados e aos requisitos de diferentes processos para quebra de cavacos, e reduzir a força de corte e a vibração, de modo a tornar o corte mais leve e eficiente.
Revestimentos para ferramentas de microfresa
O revestimento tem alta dureza, resistência ao desgaste e estabilidade química. Ele pode evitar a interação entre materiais ferramenta-chip-peça de trabalho e atuar como uma barreira térmica. Ele pode reduzir o desgaste adesivo, desgaste por dissolução, desgaste por descascamento da superfície da ferramenta, etc. Ele pode efetivamente atrasar a ocorrência de desgaste da ferramenta. Portanto, a aplicação do revestimento pode melhorar muito o desempenho da ferramenta.
Os revestimentos podem ser divididos em duas categorias de acordo com sua composição e função: uma é o revestimento “duro”, que é caracterizado por alta dureza e boa resistência ao desgaste. O outro é o revestimento “macio”, que reduz principalmente o atrito, reduz a força de corte e a temperatura de corte. Os revestimentos podem ser divididos em revestimentos de camada única, revestimentos multicamadas, revestimentos compostos, revestimentos gradientes, revestimentos nano-multicamadas, revestimentos de estrutura nano-composta, etc. de acordo com sua estrutura. Ao selecionar revestimentos, a espessura, a suavidade e a compatibilidade do revestimento com o carboneto base devem ser consideradas.
As características de desenvolvimento de revestimentos de ferramentas são diversificação e serialização. O desenvolvimento e a aplicação de nano revestimentos, revestimentos de estrutura gradiente e novos revestimentos de estrutura e material desempenharam um papel importante na melhoria do desempenho das ferramentas. Entre os infinitos novos produtos de revestimento, há revestimentos resistentes ao desgaste e ao calor adequados para corte de alta velocidade, corte a seco e corte duro. Há também revestimentos resistentes que são adequados para corte intermitente. Há também revestimentos lubrificantes que são adequados para corte a seco e precisam reduzir o coeficiente de atrito.
Revestimentos de diamante também foram aplicados para melhorar a eficiência de processamento de metais não ferrosos e materiais não metálicos, como ligas de alumínio. A aplicação prática de vários nano revestimentos (incluindo nano cristalização, nano espessura de camada e nano revestimentos de estrutura) melhorou muito o desempenho dos revestimentos. A mais recente conquista da tecnologia de nano revestimento é o desenvolvimento de fresas de topo revestidas de TiSiN e CrSiN, ambas com tamanho de partícula de 5 nm. Além disso, ao melhorar o acabamento da superfície do revestimento, as capacidades antifricção e antiadesão da ferramenta revestida podem ser melhoradas.
Atualmente, no campo da microfresagem, muitos resultados foram alcançados na pesquisa sobre a rugosidade da superfície de usinagem. No entanto, não há muitos estudos sobre encruamento e tensão residual, e a pesquisa sobre força de corte não é madura o suficiente. Para melhorar o efeito de processamento da microfresagem, a influência de fatores como força de corte, qualidade de processamento, desgaste da ferramenta e vibração de processamento pode ser estudada de forma abrangente. Por meio de pesquisa e desenvolvimento aprofundados da tecnologia de microfresagem, a capacidade de processamento de microferramentas pode ser melhorada ainda mais. Com a crescente demanda do mercado por micropeças tridimensionais de precisão, a tecnologia de microfresagem certamente terá grande potencial.
