В настоящее время микрорезка стала важной технологией для преодоления ограничений технологии MEMS. Технология микрофрезерования стала очень активной точкой исследований благодаря своей высокой эффективности, высокой гибкости и способности обрабатывать сложные трехмерные формы и различные материалы.
Микрофреза и технология ее изготовления
Производственный процесс и производительность инструмента
Шлифование — традиционный процесс изготовления фрез, но для фрезы микро диаметра диаметром всего несколько десятых миллиметра. Очень сложно шлифовать острую режущую кромку на неоднородном инструментальном материале под действием силы шлифования. Это также стало техническим узким местом в разработке фрез микродиаметра. Для этого с теоретической и экспериментальной точки зрения может быть выбран метод обработки, не создающий силы резания (такой как лазерная обработка, обработка сфокусированным ионным пучком и т. д.).
Метод обработки сфокусированным ионным пучком в принципе больше подходит для изготовления фрез микродиаметра. Фридрих, Василе и другие использовали технологию обработки сфокусированным ионным пучком для изготовления фрез микродиаметра с минимальным диаметром 22 мм. Используя фрезу микродиаметра и изготовленный по индивидуальному заказу высокоточный фрезерный станок, на полиметилметакрилате (ПММА) была обработана структура микроканавки с прямыми стенками 89,5°, глубиной 62 мм и толщиной ребра между канавками 8 мм. Адамс и другие использовали технологию обработки сфокусированным ионным пучком для изготовления некоторых фрез микродиаметра диаметром около 25 мкм. Его контурные формы включают двугранник, тетраэдр и гексаэдр, а режущие кромки делятся на 2-, 4- и 6-гранные. Материалы инструмента - быстрорежущая сталь и цементированный карбид. Эти инструменты использовались для выполнения микрофрезерования на четырех материалах заготовок: алюминии, латуни, стали 4340 и ПММА. Однако, поскольку использование микрофрезерных фрез для резки должно использовать небольшую скорость подачи, а износ инструмента является значительным, заусенцы обработки большие, а эффект обработки все еще неудовлетворительный.
Геометрия лезвия концевая фреза В основном включает четыре типа: прямое тело, конический треугольник (D-тип), полукруглый (D-тип) и коммерчески доступная спиральная концевая фреза. Фанг и др. провели исследование и сравнение четырех вышеупомянутых концевых фрез на основе жесткости инструмента и производительности обработки с помощью экспериментов и конечно-элементного анализа. Результаты показывают, что коническая концевая фреза D-типа больше подходит для микрорезки, а коническая концевая фреза диаметром 0,1 мм успешно использовалась для производства биомедицинских деталей с размером элемента менее 50 мкм и микротисненых форм с размером элемента менее 80 мкм.
Однако с практической точки зрения и перспектив применения приоритет следует отдать коммерциализированным концевым фрезам с микродиаметром спирального лезвия, и многие исследования проводятся по этому типу фрез. В настоящее время за рубежом коммерциализированы твердосплавные концевые фрезы диаметром 0,1 мм (в Китае также коммерциализированы концевые фрезы диаметром 0,2 мм), а также начали поступать в продажу концевые фрезы диаметром 50 мкм. В настоящее время изготовление таких фрез по-прежнему зависит от высокопроизводительных заточных станков.
В Европе концевые фрезы микродиаметра (минимальный диаметр 50 мкм) используются для обработки литьевых форм для микропластиковых компонентов. Твердость формы достигает 53HRC, точность фрезерования <5 мкм, а шероховатость поверхности Ra <0,2 мкм. В США был разработан новый тип фрезы микродиаметра специально для обработки форм и твердых форм, которая может выполнять высокоскоростную резку материалов высокой твердости, таких как графит и сталь (скорость резки 30 м/мин, до 150 м/мин). Швейцарские исследователи провели эксперимент по высокоскоростной резке твердых материалов, используя фрезу микродиаметра с покрытием TiAlN диаметром 0,5 мм для резки нержавеющей стали 316L с глубиной резания 0,1 мм, скоростью резания 80 м/мин, скоростью шпинделя 50000 об/мин и скоростью подачи 240 мм/мин. Результаты эксперимента показали, что срок службы инструмента достиг 8 часов (117 м).
Материалы для микрофрезерного инструмента
В качестве инструментальных материалов алмаз, кубический нитрид бора, керамика и т. д. имеют свои преимущества и ограничения. Наиболее часто используется твердый сплав. В настоящее время более 90% токарных инструментов и более 55% фрез за рубежом изготовлены из твердого сплава. В области микродиаметральных фрез инструментальным материалом также в основном является твердый сплав. Твердый сплав представляет собой спеченное тело, состоящее из множества зерен. Размер зерна определяет микроскопическую остроту лезвия. Для получения острого лезвия обычно используют сверхмелкозернистый твердый сплав вольфрамово-кобальтового типа. В настоящее время размер зерна сверхмелкозернистого твердого сплава составляет около 0,5 мм, а радиус дуги режущей кромки составляет несколько микрон.
Разработка и применение мелкозернистых и ультрамелкозернистых твердых сплавов является направлением развития для дальнейшего повышения надежности использования инструмента. Его особенностью является постоянная разработка новых марок инструментальных материалов, чтобы сделать их более подходящими для обрабатываемых материалов и условий резания, чтобы достичь цели повышения эффективности резания. Производители инструментов принимают стратегию «прописывания правильного лекарства для правильной болезни» и постоянно разрабатывают новые марки инструментов со специфическими характеристиками обработки. Например, новые марки, выпущенные Kennametal в США для токарной обработки, включают: KC9110 для обработки стали, KC9225 для обработки нержавеющей стали, KY1310 для обработки чугуна, KC5410 для обработки жаропрочных сплавов, KC5510 для обработки закаленных материалов, KY1615 для обработки цветных металлов и т. д.
По сравнению с исходными старыми сортами новые сорта могут повысить эффективность резания в среднем на 15% - 20%. Во-вторых, при разработке новых сортов больше внимания уделяется оптимизированному сочетанию подложки и покрытия для лучшего достижения цели разработки применимости. Кроме того, разработка новых сортов обычно также включает в себя улучшение соответствующей формы канавки инструмента и геометрических параметров. Для того, чтобы лучше адаптироваться к характеристикам обрабатываемых материалов и требованиям различных процессов для стружкодробления, а также для снижения силы резания и вибрации, чтобы сделать резку более легкой и эффективной.
Покрытия для микроконцевых фрез
Покрытие обладает высокой твердостью, износостойкостью и химической стабильностью. Оно может предотвратить взаимодействие между инструментом, стружкой и материалами заготовки и действовать как тепловой барьер. Оно может уменьшить адгезионный износ, износ растворения, износ отслаивания поверхности инструмента и т. д. Оно может эффективно задержать возникновение износа инструмента. Поэтому нанесение покрытия может значительно улучшить производительность инструмента.
Покрытия можно разделить на две категории в зависимости от их состава и функции: одно - «твердое» покрытие, которое характеризуется высокой твердостью и хорошей износостойкостью. Другое - «мягкое» покрытие, которое в основном снижает трение, снижает силу резания и температуру резания. Покрытия можно разделить на однослойные покрытия, многослойные покрытия, композитные покрытия, градиентные покрытия, наномногослойные покрытия, покрытия с нанокомпозитной структурой и т. д. в зависимости от их структуры. При выборе покрытий следует учитывать толщину, гладкость и совместимость покрытия с основным карбидом.
Характерными особенностями развития покрытий инструментов являются диверсификация и сериализация. Разработка и применение нанопокрытий, покрытий с градиентной структурой и новых структурных и материальных покрытий сыграли важную роль в улучшении производительности инструментов. Среди бесконечного количества новых покрытий есть износостойкие и термостойкие покрытия, подходящие для высокоскоростной резки, сухой резки и твердой резки. Есть также прочные покрытия, подходящие для прерывистой резки. Есть также смазочные покрытия, подходящие для сухой резки и требующие снижения коэффициента трения.
Алмазные покрытия также нашли дальнейшее применение для повышения эффективности обработки цветных металлов и неметаллических материалов, таких как алюминиевые сплавы. Практическое применение различных нанопокрытий (включая нанокристаллизацию, нанослойную толщину и наноструктурные покрытия) значительно улучшило эксплуатационные характеристики покрытий. Последним достижением технологии нанопокрытий является разработка концевых фрез с покрытием TiSiN и CrSiN, оба из которых имеют размер частиц 5 нм. Кроме того, путем улучшения поверхностной отделки покрытия можно улучшить антифрикционные и антиадгезионные свойства покрытого инструмента.
В настоящее время в области микрофрезерования достигнуто много результатов в исследовании шероховатости обрабатываемой поверхности. Однако исследований по упрочнению и остаточному напряжению не так много, а исследования по силе резания недостаточно развиты. Для улучшения эффекта обработки микрофрезерованием можно всесторонне изучить влияние таких факторов, как сила резания, качество обработки, износ инструмента и вибрация обработки. Благодаря глубоким исследованиям и разработкам технологии микрофрезерования можно еще больше улучшить производительность обработки микростанков. С ростом спроса на рынке на прецизионные трехмерные микродетали технология микрофрезерования, несомненно, будет иметь большой потенциал.
