По мере того, как компьютеры и телевизоры становятся все тоньше, медицинские технологии также продвинулись до такой степени, что все более миниатюрные устройства могут быть имплантированы в человеческое тело — даже камеры, достаточно маленькие, чтобы перемещаться внутри него.
Они не только становятся меньше, но и оснащаются большим количеством компонентов, обеспечивающих большую мощность и функциональность. Микрокомпоненты в настоящее время имеют широкий спектр применения в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, биомедицинская, электроника, информационные технологии, оптика и телекоммуникации.
Разработка всех этих продуктов приводит к повышению требований к более мелким деталям и узлам. Чтобы постоянно снижать затраты, большинство этих миниатюрных компонентов производятся с использованием пресс-форм. Эти тенденции ставят перед производителями пресс-форм новые и разнообразные задачи: от использования новых материалов аэрокосмического класса и специальных покрытий для пресс-форм до фрезерования инструментами диаметром 0,1 мм и достижения субмикронной точности.
В то же время внутренняя сложность микрокомпонентов также создает новые возможности. По мере того, как производство простых и умеренно сложных пресс-форм перемещается в страны с более низкими затратами на рабочую силу, производители пресс-форм в США и Европе могут сохранить свое конкурентное преимущество, обратившись к передовым технологиям, таким как микролитье и микрофрезерование.
Проблемы производства мелких деталей
Одной из основных проблем при производстве пресс-форм для миниатюрных деталей является фактическая механическая обработка этих крошечных деталей. Как прямое фрезерование функциональных участков пресс-формы, так и производство небольших электродов электрода предъявляют чрезвычайно высокие требования к технологии фрезерования.
Проблемы микрофрезерования включают использование сверхмалых инструментов — иногда размером до 100 микрон (μм) или меньше, — работающих со скоростью вращения шпинделя до 150 000 об/мин. Требуемая шероховатость поверхности часто достигает Ra 0,2 мкм. Поскольку полировка таких мелких деталей обычно нецелесообразна, микрофрезерование должно обеспечивать отсутствие полировки.
Фрезерование электродов электроэрозионной обработки с помощью инструмента 0,1 мм (фото любезно предоставлено компанией Cimatron).
Технология микрофрезерования
Чтобы соответствовать требованиям к качеству и точности, оставаясь при этом экономически жизнеспособной, вся производственная цепочка должна быть оптимизирована и синхронизирована. Поставщики станков с ЧПУ, инструментов, держателей инструментов, приспособлений и оборудования для контроля качества должны предоставлять конкурентоспособные и точные решения.
Основные соображения при микрофрезеровании:
1) Инструменты, держатели и шпиндели
Инструменты малого диаметра имеют основополагающее значение для микрофрезерования. В зависимости от размера заготовки инструменты могут быть размером до 0,1 мм, а в будущем могут быть меньше. О наличии и стоимости таких инструментов необходимо подумать заранее.
Высокая скорость вращения шпинделя имеет важное значение для инструментов малого диаметра. Например, при 10 000 об/мин при использовании инструмента диаметром 0,1 мм скорость резания (Vc) составляет всего 3,3 м/мин, что слишком мало.
Для шпинделей, работающих в диапазоне от 20 000 до 150 000 об/мин, крайне важно добиться идеального динамического баланса и нулевого биения с помощью высокоточных термоусадочных державок. В противном случае пострадает чистота поверхности, а срок службы инструмента значительно снизится.
2) Крепление и интеграция процессов
Детали для микрофрезерования обычно должны быть обработаны за одну установку. Совмещение электроэрозионной обработки и фрезерования в отдельных операциях может привести к недопустимому перекосу и видимым следам инструмента.
3) Станки и среда мастерской
Машины должны обеспечивать постоянную точность и разрешение с точностью до четырех знаков после запятой (т. е. на микронном уровне).
Микрофрезерование значительно выигрывает от возможности работы по пяти осям, что позволяет использовать более короткие инструменты за счет наклона в сторону от поверхностей. Однако, поскольку текущая пятиосевая точность часто отстает от трехосевых систем, любая пятиосевая реализация микрофрезерования должна быть тщательно проверена.
Контроль температуры и виброизоляция имеют решающее значение. Даже тяжелый грузовик, проезжающий мимо мастерской, может оставить следы на поверхности, если машина не изолирована должным образом.
4) Стратегии фрезерования
В зависимости от геометрии для микрофрезерования могут потребоваться стратегии, выходящие за рамки простого уменьшения масштаба. Во многих случаях предпочтительным подходом является подъемное фрезерование (а не обычное фрезерование).
Решения CAD/CAM для высокоточного микрофрезерования при производстве пресс-форм должны предлагать простые в использовании 3D-инструменты.
Требования к CAD/CAM
Несмотря на то, что машины, держатели и инструменты интуитивно понятны как основные проблемы при переходе к микропроизводству, программное обеспечение не менее сложное. На первый взгляд программное обеспечение может показаться более простым — оно должно обрабатывать такие числа, как 0,0001 так же хорошо, как 1,0 или 10. Но на самом деле здесь гораздо больше нюансов.
Основные характеристики систем САПР:
Надежная и точная интерпретация моделей имеет решающее значение. Сокращение количества трансляций данных между системами помогает сохранить точность модели.
Сверхмалые геометрические допуски (0,1–0,01 мкм) необходимы для создания линий разъема или геометрии для ползунов, штифтов выталкивателя и подъемников. Зазоры между поверхностями разъема должны быть устранены, сохраняя непрерывность C1 и C2.
Поддержка очень маленьких, многогнездных пресс-форм, включая образцы деталей и сложные сборки.
Требования к системе CAM для микрофрезерования:
Поддержка жестких допусков и сверхвысокой точности обработки.
Поскольку ручное вмешательство во время работы невозможно, CAM должен точно управлять нагрузкой стружки по всей траектории инструмента.
Использование математических моделей с высоким разрешением для поддержания геометрической точности. Интегрированные платформы CAD/CAM идеально подходят, поскольку они исключают ошибки перевода.
Встроенные функции высокоточного моделирования (например, покрытие поверхности, расширение) с соответствующим контролем касательной.
Поддержка отклонения траектории до 0,1 микрона, что критически важно при обработке мелких деталей на крупных деталях.
Возможность определения параметров уровня микрофрезерования, таких как использование инструмента 0,1 мм, ступеней 0,005 мм и радиуса инструмента 0,05 мм. Результирующая траектория должна быть с точностью до пяти знаков после запятой.
Стратегии, сочетающие черновую обработку, получистовую обработку и чистовую обработку в одной непрерывной операции.
Интеллектуальное управление скоростью подачи на основе фактического остатка материала для защиты хрупких инструментов и сокращения времени обработки.
Заключение
Микросистемы, микропресс-формы и микрофрезерование становятся захватывающими технологиями для массового производства миниатюрных деталей. Благодаря субмикронной точности и режущим инструментам, практически невидимым невооруженным глазом, эта быстрорастущая область создает множество проблем и возможностей как для производителей пресс-форм, так и для поставщиков.
Это требует глубоких знаний новых материалов, сверхтонких инструментов, специальных покрытий и передового программного обеспечения CAD/CAM. Тем не менее, микрофрезерование также обеспечивает конкурентное преимущество для производителей, стремящихся выделиться на фоне недорогих конкурентов.
Эффективное развитие в этой области требует сотрудничества между промышленностью, научно-исследовательскими институтами и правительствами — модель, которая уже реализуется в Европе. В рамках инициативы ЕС CRAFT, возглавляемой Институтом Фраунгофера, в партнерстве с ведущими поставщиками CAD/CAM, ЧПУ станков, инструментов и приспособлений для разработки материалов, машин и программных инструментов нового поколения для микропроизводства.
Пришло время североамериканской инструментальной промышленности присоединиться и извлечь выгоду из этого развивающегося и высокодоходного сегмента рынка.
Краткий обзор микрофрезерования
Микросистемные технологии стали одной из самых быстрорастущих отраслей в мире. Такие сектора, как биомедицинские устройства, оптика и микроэлектроника (включая мобильные и компьютерные компоненты) создают огромный спрос на крошечные высокоточные детали.
Компоненты, требующие микропроизводства, часто имеют размер 5 мм или меньше, требования к чистоте поверхности 0,2 микрона или выше, а твердость материала достигает 45 HRC и более.
Микрофрезерование – это передовая технология, разработанная специально для изготовления таких миниатюрных и сверхточных деталей. В нем используются инструменты диаметром менее 0,1 мм, обеспечивающие сверхгладкую поверхность и допуски на микронном уровне, что значительно превосходит возможности стандартного программного обеспечения ЧПУ.
Чтобы достичь такого уровня точности, производители должны преодолеть такие проблемы, как деформация детали, растущая сложность и использование специализированных инструментов. Основные возможности микрофрезерования включают в себя:
Диаметр инструмента не более 100 μм
Соотношение сторон инструмента (L/D) от 10 до 100
Частота вращения шпинделя 150 000 об/мин или более
Допуски на обработку 0,1 мм или менее
Коррекция геометрии и сверхточные траектории движения инструмента
Микрофрезерование – это будущее высокоскоростного фрезерования. Компании, осваивающие производство микропрецизионных пресс-форм, получат мощное конкурентное преимущество.
