Струговане и фрезоване на миниатюрни детайли

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 8/2019 • 28.11.2019

Изработването на миниатюрни детайли чрез механична обработка не е нова производствена практика, но през последните няколко години се наблюдава тенденция към непрекъсната миниатюризация в редица индустрии, включително аерокосмическата и автомобилната промишленост, медицината и електрониката. Ето защо приложенията на технологията в съществуващите цехове непрекъснато нарастват. При обработката на миниатюрни детайли критично значение за качеството на готовото изделие имат както машината, така и режещите инструменти. За да се обработи детайл с външен диаметър (OD) от порядъка например на 0,099 мм, е препоръчително да се планират внимателно всички етапи на процеса, тъй като съществуват доста практически предизвикателства. 

Най-малката промяна в параметрите на обработка, причинена от характеристиките на материала или режещия инструмент, топлинните промени в машината или вибрациите, може да окаже пряко негативно влияние върху крайния резултат.

 

Особености на технологията

Има много различни определения за микрообработка. За някои предприятия микрообработка чрез струговане означава, че външните диаметри (OD) са по-малки от 0,1 мм, вътрешните диаметри (ID) са по-малки от 0,2 мм, а режещият ръб е от порядъка на 0,5 мм. В допълнение, тези операции изискват изключително малка дълбочина на рязане (по-малка от 0,1 мм), малка скорост на подаване (около 0,05 милиметра в минута) и малки сили на рязане. Очакваният резултат е високо качество на повърхнините.

За да се постигне точността, необходима за ефективна микрообработка, конструкцията на шпиндела на машината е изключително важна. Високоскоростните вретена на повечето нови машини са с маслено охлаждане и предлагат високи темпове на ускорение и забавяне, като в същото време появата на вибрации е сведена до минимум.

За събиране на произведените малки детайли някои производители на металообработващи машини предлагат безконтактни устройства за повдигане с помощта на въздух, с който същевременно отделят и стружките от обработените компоненти. Обикновено са налични и системи за охлаждане с високо налягане, които почистват стружките от детайла и стабилизират температурата по време на работа както на режещия инструмент, така и на обработваната заготовка. Специални колектори са предназначени да филтрират мъглата от флуид за рязане в работната зона.

 

Режещи инструменти

По принцип инструментите за микроструговъчни операции изискват изключителна острота, добри свойства на плъзгане, изключително високо качество на повърхността, висока точност при превключване, висока точност на режещия ръб и стабилна повърхност за закрепване. Счупването при инструментите е по-рисково при микрообработката отколкото при конвенционалното струговане, тъй като всяко незначително изместване може да причини повреда на инструмента.

Ключови за процеса фактори са затягането на вложката, основата, микрогеометрията (размер на фаската или радиуса на ръба) и покритието. Поради изключително ниските скорости на подаване, остри режещи ръбове на вложката с радиус от 1,44 микрона и ъгъл от 80 градуса например осигуряват ниски сили на рязане, добра финишна повърхност и висока точност на размерите. И обратно, режещи ръбoве с радиус 50 микрона се препоръчват за груба обработка или рязане с прекъсване.

Крайният резултат зависи и от стабилността на системата като цяло. Когато една вложка се закрепва, трябва да се внимава това да се направи с възможно най-висока стабилност и прецизност. Освен това, когато се работи с много малки диаметри на детайлите, точността при съотношението “инструмент-център-височина” е изключително важна. В идеалния случай настройката трябва да бъде такава, че операторът да не се налага да регулира височината на центъра при индексиране на вложката. За тази цел някои вложки за микрофинишни операции са произведени с толеранс на височината в центъра от ± 0,0025 мм, за да може точността при индексиране да бъде гарантирана.

Острият режещ ръб подобрява качеството на обработката чрез минимизиране на тенденциите към вибрации. За осигуряване на остър режещ ръб идеалната повърхност е тази без покритие, но много от материалите, които трябва да бъдат обработени, изискват вложки с покритие. В допълнение, вложките без покритие обикновено произвеждат по-ниски сили на рязане в сравнение с тези с покритие. В случай на работа с режещи инструменти с покрития повърхностната обработка и самите покрития влияят значително на микрогеометрията, особено при инструменти с малък диаметър.

В резултат на това все повече компании разработват инструментални системи с m-финишни вложки. Всеки режещ ръб се проверява с увеличение 200x като допълнителна мярка за контрол на качеството. Това внимание към детайла гарантира, че след като инструментът е настроен, няма да са необходими допълнителни настройки по височината при подмяна на износена вложка.

Микрозърнестите карбиди и специално проектираните геометрии са добре пригодени за обработка на обикновени стомани, неръждаема стомана и месинг. Новите типове покрития (разработени специално за приложения в областта на микроструговането, оформянето и рязането) обикновено издържат на износване и натрупване на материал върху режещите ръбове.

За операции с вътрешно профилиране (с диаметър 0,228 мм) може да се използва система за струговане със скорост на рязане 12 м в минута и скорост на подаване 0,003 милиметра на оборот. Подложката, покритието и подготовката на ръбовете на режещия инструмент увеличават експлоатационния му живот. Някои модели, достъпни на пазара, демонстрират до 60% по-дълъг жизнен цикъл на инструмента в сравнение с други при струговане на кобалтов хром при 1000 N/кв. мм. Високото качество позволява на инструмента да обработва диаметри от 0,203 мм до 6,8 мм в труднообработваеми материали, като същевременно увеличава възвръщаемостта на инвестицията. В допълнение към острите, чисти ръбове без стружки, поддържането на правилната скорост на подаване спомага да се елиминират проблемите с премахването на стружките.

 

Микрофрезоване

Микрофрезоването може да бъде съпътстващ процес към микроструговането. Микрофрезоването е традиционна практика на европейския пазар, но през последните години бързо се популяризира и в САЩ. За цеховете и предприятията, които вече имат съществуващи производства на миниатюрни детайли, микрофрезоването е технология с потенциал да им осигури конкурентно предимство в сравнение с компаниите с малък или никакъв опит в производството на такива изделия.
Технологичната екипировка за микрофрезоване е различна от тази при конвенционалното фрезоване и често излиза извън границите на традиционното фрезово оборудване. Геометрията на машината играе важна роля за цялостната й работа. Тя определя твърдостта, точността, термичната стабилност, амортизиращите свойства, работния обем и трудността на използване от оператора. Двата най-популярни вертикални типа геометрия при машините са конструкциите тип “мост” и тип “C-рамка”, като всеки предлага различни плюсове и минуси.

Типична за конструкциите от тип “C-рамка” е по-добрата стабилност при микрообработка, а тя директно влияе на точността. При тези конструкции единствената движеща се ос е шпинделът (или Z-оста), което предполага по-добра динамична стабилност и здравина.

При C-рамките стабилността намалява с увеличаването на дължината на преместване по оста Z. Идеалната конструкция на C-рамката е тази, която има подходящ баланс на този параметър. При мостовите конструкции осите Y и Z са окачени над масата на оста X. Следователно мостът носи по-голямо тегло, предлагайки по-малко динамична стабилност за микрофрезоване. Повечето мостови конструкции са по-подходящи за високоскоростна обработка на средни и по-големи детайли, при които обикновено се изисква максимално движение по оста Z.

Един от най-критичните фактори при обработката чрез фрезоване на малки, деликатни и прецизни детайли е вибрацията. Подобно на динамичната стабилност, ефективното демпфериране е ключово условие за успех. Гасенето на вибрациите е процес, който трябва да бъде стриктно контролиран по време на микрофрезоване. Машините с повишени възможности за демпфериране поемат по-голяма част от вибрациите, генерирани при рязане.

Рамките на много машини са конструирани чрез заварки от чугун или стомана. За съжаление тези конструкционни материали не са подходящи за микрофрезоване с оглед на способностите за поглъщане на вибрации. Най-подходящият материал за машинна рамка при такива операции е полимерният бетон. Той често осигурява до десет пъти по-висока абсорбция на вибрации от чугуна. Полимерният бетон гарантира и по-добра динамична и статична твърдост от чугуна и има значително по-добри свойства на термична стабилност, които са от решаващо значение за постигане на точност при малки детайли.

Направляващата система при обработващите машини включва носещи компоненти, които поддържат шпиндела и масата, и направляват тяхното движение. Съществуват две първични направляващи системи: каретки (понякога наричани хидродинамични пътища) и линейни направляващи. Каретките се използват при най-голям процент машини и често се срещат в големите центрове за обработка на метали чрез отстраняване на материал. Линейните системи за направляване са традиционен избор при машините за фрезоване. Те предлагат ниско статично и динамично триене и са много подходящи за високоточно, многоосово и комплексно движение.

 

Задвижване и управление на движението

Колко малки детайли може да обработва един цех и колко успешно го прави зависи от технологията на задвижване, вградена в оборудването за микрообработка. На пазара се срещат няколко вида системи за задвижване и управление на движението. Технологията с лагерувани винтови валове все още е най-популярна при механизмите на задвижване по осите на повечето машини.

Лагеруваните винтове се задвижват от сервомотори. Тази комбинирана технология е подходяща за фрезови машини. В практиката тя се доказва като по-ефективно решение в сравнение с линейните двигатели например. От ключово значение е синергията между задвижването и сервомоторите, които работят в синхрон, за да гарантират прецизно и точно движение и да осигурят триизмерни характеристики на детайли с миниатюрни размери. Устройства за обратна връзка, като стъклени разграфени скали и енкодери, се интегрират в машината, за да се следи положението на осите, обработващите инструменти и другите подвижни елементи.

Много производители на металообработващи машини използват само ротационни енкодери, за да определят действителното положение на осите. Ротационните енкодери обаче изчисляват само изминатото разстояние или скоростта на движение и не отчитат мъртвия ход, износването или термичните промени на лагерувания винт. Всяка от тези геометрични промени на лагерувания винт може да доведе до грешки в реалното положение. За да се противодейства на геометричните промени и да се осигури отчитане на най-точното положение на оста, стъклените скали се поставят в близост до направляващите. Така те осигуряват допълнителна обратна връзка към управлението на машината.

Стъклените скали се предлагат в различни диапазони на точност, но повечето прецизни машини от висок клас обикновено използват скали със стъпка от 0,5 микрона във връзка с ротационния енкодер. Тъй като повечето приложения в сферата на микрофрезоването са прецизни, те изискват максимално точно движение на осите и инструментите. 0,5-микроновите стъклени скали обикновено не са достатъчно ефективни при производството на малки, свръхточни детайли. В този случай на разположение са стъклени скали със стъпка 0,1 микрона, които позволяват точно производство дори на най-фините детайли.

 

Шпиндели за микрообработка

Технологиите при шпинделите изминаха дълъг път през последните години. На пазара днес се предлагат много различни видове шпиндели: задвижвани със зъбно колело, задвижвани с ремък, моторизирани, въздушно задвижвани и хидростатични. Най-често срещаните шпиндели с висока скорост на въртене са моторизираните шпиндели. Вече се произвеждат моторизирани шпиндели с изключително високи мощности от порядъка на 160 хил. об./мин. Въпреки че те намират все повече приложения, най-популярни остават високоскоростните шпиндели с обороти до 50 хил.

При микрофрезоването размерът на инструмента е зависим от приложението. Обикновено инструмент с диаметър 6 мм се счита за голям, а инструмент с диаметър 0,3 мм – за малък. В този диапазон шпиндел с мощност 50 K об./мин. би осигурил адекватно решение.

Моторизираните шпиндели се предлагат в две основни разновидности: с отворен или със затворен контур. Шпинделът със затворен контур обикновено се нарича векторно вретено. Шпинделите с отворен контур типично се използват, когато силите на рязане са относително малки, като например при микрофрезоване. Те са и по-евтини, но срещат множество предизвикателства. Шпинделите с отворен контур нямат обратна връзка с енкодера. Следователно операции като твърдо резбонарязване и функции като ориентация на шпиндела не се поддържат. Освен това съотношението между минимална и максимална скорост на шпиндела е ограничено. Например шпинделът с отворен контур до 40 K об./мин. може да има минимални обороти от едва 2K. Шпиндел с по-малко от 2K об./мин. не може да развие достатъчен въртящ момент за рязане.

Идеалният шпиндел за микрофрезоване е този със затворен контур или векторно-управляваният шпиндел. Този сегмент предлага голям обхват при оборотите, пълен въртящ момент при ниски скорости, възможности за твърдо резбонарязване и функции за ориентация на шпиндела. Добре проектиран шпиндел с векторно управление на машина за микрофрезоване може да предложи най-голяма гъвкавост в комбинация с възможности за обработка дори на най-трудните за рязане материали.

 

ЦПУ технология

Технологиите за цифрово програмно управление са друга област при обработващите машини и центри, която бележи значителен напредък през последните години. Благодарение на усъвършенстваните хардуерни и софтуерни решения, днес управленията на машините са бързи и мощни. Има редица важни аспекти по отношение на ЦПУ, които е препоръчително да бъдат взети предвид при микрообработка – интерфейсът за управление, възможностите за контрол на движението и обратна връзка, скоростта на обработка и поддръжката. Интерфейсът за управление е важен, тъй като високотехнологичните обработващи машини изискват управления от ново поколение. Ето защо повечето високотехнологични контролери са снабдени с множество допълнителни функции в сравнение с конвенционалните модели. Интерфейсът трябва да бъде логически издържан и лесен за използване, но същевременно достатъчно гъвкав, за да се справи дори с най-сложните схеми за обработка, генерирани от съвременните CAD/CAM системи.

Тъй като схемите за обработка с машини и инструменти за микрофрезоване могат да бъдат сложни и да съдържат хиляди блокове информация, важно е управлението да разполага с възможности за връзка с няколко типа носители за съхранение заедно с Ethernet вход. Управлението на движението на инструмента и обратната връзка са от решаващо значение при прецизните приложения за фрезоване. ЦПУ платформата трябва да може бързо да обработва сложни данни с висока плътност и да управлява движението по осите по максимално точен начин.

 

Измервателни средства

Работата с малки детайли и инструменти за микрообработка изисква измервания както по дължина, така и по диаметър. Тази информация се връща обратно към управлението, за да се елиминират изместванията по траекторията на инструмента.

При миниатюрните детайли и инструменти е почти невъзможно да се правят ръчни механични измервания. Ето защо много машини за микроструговане и микрофрезоване използват лазерни измервателни устройства, за да изчисляват автоматично както дължината, така и диаметъра на инструмента и детайла. С адекватна лазерна система инструментите с размер до 40 микрона могат да бъдат измервани по надежден и лесен начин.

Миниатюрните детайли и фиксатори също могат да бъдат предизвикателство при измерване и настройка. Използването на сензорна сонда може да улесни настройките на микрофрезите. Функции за автоматично центриране, зануляване на позицията на детайлите и тяхното подравняване могат да бъдат използвани за бързо постигане на нужната позиция и ориентация. Освен това, различни допълнителни измервания на параметрите на детайлите могат да бъдат извършвани и с помощта подпрограмните функции на модерните сензорни сонди, които обикновено се намират в управлението на самото устройство.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top