МИКРООБРАБОТКА: НОВАЯ ЭРА ПРЕЦИЗИОННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Производственная отрасль стремится к миниатюризации, что обусловлено спросом на высокоточные миниатюрные изделия, состоящие из мельчайших деталей или изделий нормального размера с мельчайшими деталями. Этот спрос не зависит от конкретного сектора, он наблюдается в автомобильной, медицинской, аэрокосмической, электронной и коммуникационной промышленности. Чтобы удовлетворить этот спрос, возникла прецизионная микрообработка. Однако чаще всего при упоминании микрообработки в голову приходит мысль о миниатюрных деталях.

Хотя аргумент, лежащий в основе такой идеи, здравый, он неточен, поскольку этот термин не имеет ничего общего с размером деталей. Напротив, как мы рассмотрим ниже, зачастую он относится к изготовлению миниатюрных элементов на деталях любого размера. В общих словах данный вид обработки подразумевает использование инновационных методов и инструментов для достижения желаемого уровня точности и аккуратности. В этой статье мы рассмотрим, что такое микрообработка, сравним ее с обычной обработкой, обсудим различные процессы микрообработки, представим обзор систем, инструментов и оборудования, используемых в микрообработке, а также поговорим о её применение в различных секторах и отраслях промышленности.

ЧТО ТАКОЕ МИКРООБРАБОТКА

Термин микрообработка может использоваться для обозначения процесса обработки деталей, которые слишком малы для обычных процессов обработки. Однако если рассматривать этот процесс с технической точки зрения, учитывая буквальное значение слова "микро", которое означает миллионную долю единицы, в данном случае метра, то определение приобретает новую форму. В данном контексте микрообработка подразумевает использование субтрактивных микроинструментов и технологий для изготовления деталей, с размером в диапазоне от 1 микрометра (мкм) до 999 мкм. Это означает, что диаметр режущих кромок инструментов составляет от 1 мкм до 999 мкм.

Однако Международная академия производственных инженерных исследований (CIRP), которая помогает стандартизировать техническую терминологию, отмечает, что граница микро/макро иногда устанавливается на уровне 500 мкм. (Эта цифра, однако, варьируется в зависимости от используемого метода обработки). В этом случае считается, что диапазон микрообработки в основном варьируется между 1 мкм и 500 мкм. Чтобы еще больше предотвратить двусмысленность, CIRP определяет три критерия, которым должны соответствовать субтрактивные процессы, особенно механические, чтобы считаться методами микрообработки. К ним относятся:

· В процессах должен использоваться инструмент диаметром от 1 мкм до 500 мкм; размеры элементов также должны находиться в этом диапазоне;

· Толщина недеформированной/несрезанной стружки (мера глубины проникновения инструмента или количества материала, удаляемого инструментом) должна быть такой же, как размер зерна заготовки (расчетный средний диаметр зерна металла или сплава);

· Толщина недеформированной стружки и размер зерна заготовки должны находиться в диапазоне от наноразмеров до нескольких микрометров в длину и быть сопоставимы с радиусом кромки инструмента.

ТИПЫ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ МИКРООБРАБОТКИ

Существует четыре основных типа процессов микрообработки, а именно:

Механическая микрообработка;

Термическая микрообработка;

Химическая и электрохимическая микрообработка;

Гибридная микрообработка.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МИКРООБРАБОТКА

Как следует из названия, процессы механической микрообработки в основном используют механические силы для удаления материала с поверхности заготовки. Это означает, все действия шлифования, резки или абразивной обработки связанные с взаимодействием инструментов с материалом заготовки. К сожалению, такое механическое взаимодействие приводит к износу инструмента, выделению тепла (особенно при использовании больших сил резания) и различным механическим и тепловым эффектам на поверхности. Ниже рассматриваются различные методы механической микрообработки.

1. МИКРОУЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА

В микроультразвуковой обработке используется суспензия - смесь воды и абразивных материалов с размером частиц 0,1-20 мкм, которая подается на поверхность заготовки инструментом, вибрирующим с ультразвуковой частотой 30-50 кГц и амплитудой 0,1-15 мкм. (Стоит отметить, что минимальная частота в этом процессе намного выше, чем в обычной ультразвуковой обработке, в то время как амплитуда и размер частиц значительно меньше). Вибрирующий инструмент передает кинетическую энергию абразивам, которые отвечают за удаление материала с заготовки. Микроультразвуковая обработка позволяет создавать микрорельеф на твердых керамических материалах, таких как композиты, стекло и кварц.

2. МИКРОВОДОСТРУЙНАЯ ОБРАБОТКА

Микроводоструйная обработка использует кинетическую энергию водяной струи, скорость которой достигает 900 м/с, для удаления материала с поверхности заготовки за счет создаваемого давления. Микроводоструйная обработка используется для резки мягких материалов, таких как свинец, асбест, резина и другие, а также пористых материалов, таких как дерево и гофрокартон.

3. МИКРОАБРАЗИВНАЯ СТРУЙНАЯ ОБРАБОТКА

Микроабразивная струйная обработка использует кинетическую энергию свободных абразивных частиц для контролируемого удаления материала. Эти частицы имеют зернистость около 50 мкм и ударяются о заготовку со скоростью от 150 до 400 м/с. Микроабразивная струйная обработка используется для удаления заусенцев, травления, резки, полировки и очистки хрупких материалов.

4. ОБРАБОТКА МИКРОФОКУСИРОВАННЫМ ИОННЫМ ПУЧКОМ

В этом методе используется ионный пучок высокой интенсивности и определенного диаметра для удаления материала атом за атомом. Эти перемещенные атомы, ионы или электроны передают свой импульс граничащим с ними атомам, способствуя удалению материала. Обработка микрофокусированным ионным пучком выполняется в вакууме и использует галлий в качестве источника ионов жидкого металла. Этот метод используется для обработки микроинструментов и штампов для электроэрозионной обработки, алмазных микроинденторов, микрохирургических инструментов, изготовления микроконцевых фрез и т.д.

5. МИКРОФРЕЗЕРОВАНИЕ

Этот процесс механической обработки использует миниатюрные инструменты, вращающиеся с очень высокой скоростью, для удаления ненужного материала с поверхности заготовки. Скорость вращения может варьироваться от 40 000 до 300 000 об/мин. Чем выше число оборотов в минуту (об/мин), тем выше качество среза и обработки. Кроме того, более высокие скорости снижают вероятность поломки инструмента и повышают производительность.

6. МИКРОТОКАРНАЯ ОБРАБОТКА

Микротокарная обработка - это процесс прецизионной обработки, используемый для изготовления малогабаритных деталей с высокой точностью размеров и чистотой поверхности. Это вид токарной обработки, выполняемой на токарном станке, но с очень маленькой глубиной резания и размером инструмента. Микротокарная обработка обычно используется в таких отраслях, как электроника, медицинское оборудование, оптика и микротехнологии, где требуются миниатюрные детали или компоненты.

Процесс включает в себя вращение заготовки на токарном станке, в то время как режущий инструмент снимает материал с поверхности. Однако при микротокарной обработке глубина резания обычно находится в диапазоне микрометров (мкм) или даже субмикрометров. Режущие инструменты, используемые при микротокарной обработке, имеют чрезвычайно малый диаметр, часто менее 1 мм, что обеспечивает точное удаление материала.

7. МИКРОШЛИФОВАНИЕ

Микрошлифование - это процесс, который помогает создавать и обрабатывать трехмерные микрорельефы. Для удаления ненужного материала с твердых и хрупких заготовок из алюминия, кремния и стекла используются миниатюрные инструменты с абразивными материалами, такими как кубический нитрид бора или алмаз. Диаметр таких инструментов обычно составляет менее 1 мм - другими словами, диаметр находится в диапазоне микрометров. Примечательно, что в процессе микрошлифования достигается низкая скорость удаления материала благодаря малой глубине реза и высокой чистоте/качеству поверхности.

8. МИКРОСВЕРЛЕНИЕ

Этот механический процесс микрообработки предполагает использование сверла диаметром менее или равным 1 мм для создания отверстия внутри заготовки. Диаметр получаемого отверстия обычно составляет от нескольких микрон до нескольких сотен микрон.