Насадка для гидроабразивной обработки производства Omax 7/15 mini MAXJET5i позволяет резать элементы менее 300 мкм. Имеет отверстие 0,18 мм, ширина реза составляет всего 0,38 мм. Изображение любезно предоставлено Omax

Насадка для гидроабразивной обработки производства Omax 7/15 mini MAXJET5i позволяет резать элементы менее 300 мкм. Имеет отверстие 0,18 мм, ширина реза составляет всего 0,38 мм. Изображение любезно предоставлено Omax

Любой, кто когда-нибудь шлифовал стенки скворечника или занимался полировкой паркетного пола, знаком со свойствами абразивов. Однако для производителя абразивы значат гораздо больше, чем инструмент для хобби и домашних дел.

Удалите бумажную или тканевую подложку со шлифовальной бумаги зернистостью 600 – и вы получите производительный, универсальный абразивный инструмент, способный резать сверхпрочные материалы, полировать значительные углубления сложных деталей или работать с такими компонентами, которые не под силу станку.

Только не чихать!

Малые размеры микроабразивов делают их пригодными для обработки микродеталей. При этом чем меньше размеры деталей, тем сложнее сделать микроабразивы.

Каждая операция обработки требует точности и последовательности. А когда режущий инструмент по большому счету представляет собой маленький камешек, качество абразивной среды становится крайне важным. Например, шлифовальная бумага зернистостью 40, с помощью которой вы снимали краску с кухонного стола на прошлой неделе, содержит частицы граната или оксида алюминия размером примерно 0,425 мм. В то же время самое крупное зерно порошка карбида кремния зернистостью 1200, который подходит для притирки микрокомпонентов особо высокой точности, имеет размер 0,0038 мм. Для обеспечения качества при работе с такими размерами требуется терпение и специальное оборудование.

Некоторые абразивы произведены с помощью шаровой мельницы – машины, которая напоминает сушилку для одежды, наполненную шариками из нержавеющей стали. Если вы подбросите пригоршню циркониевого корунда или других камней, затем быстро покрутите их по принципу центрифуги и пропустите получившийся продукт через ряд сит с уменьшающимся размером ячеек, то вы получите представление о процессе производства и сортировки свободных абразивов.

Конечно, настоящий процесс намного более сложен, и существует ряд техник измельчения, включая вихревые мельницы, каждая из которых дает собственную уникальную форму частиц. Производители абразивов инвестируют миллионы долларов в оборудование и охраняют тайны специфики своего процесса измельчения более ревностно, чем KFC – рецепт своих приправ.

Существует множество типов микроабразивов. Один из наиболее популярных – оксид алюминия, который получается в ходе переработки бокситовой руды. Тот же продукт применяется для производства алюминиевых автомобильных молдингов и фюзеляжей самолетов. Карбид кремния также используется для получения свободных абразивов и слегка отличается от абразивов, используемых для производства режущих инструментов и высококачественной керамики.

Другие распространенные свободные абразивы – кубический нитрид бора, алмаз, гранат и кремний. Даже пищевая сода (бикарбонат натрия) и сухой лед (твердый диоксид углерода) используются в качестве средств для обработки деликатных и/или мелких деталей.

Однако это не просто миниатюрные круглые зерна материала. Частицы абразива бывают разной формы – от массивных брусков до зерен, напоминающих рис, с острыми как бритва краями. Все они предназначены для эффективного удаления материала во время конкретной операции.

Далее представлен обзор наиболее популярных типов свободных абразивов и методов их применения.

Операции с водой 

Алмаз – оптимальный минерал для водоструйной обработки. Стив Паретт (Steve Parette), управляющий директор поставщика оборудования для водоструйной обработки  Micro Waterjet LLC (Хантерсвилль, Северная Каролина, США), считает гранат идеальным материалом, потому что он достаточно твердый для резания почти любых заготовок, но при этом не портит водоструйные насадки.

Существует большое число видов граната, что делает его доступным, при этом он достаточно твердый, чтобы обеспечить хороший поток водной струи. Как и большинство абразивов, гранат самозатачивающийся. По мере того как отдельные частицы граната ударяются об обрабатываемую деталь, они растрескиваются на мелкие частицы с острыми режущими краями.

При гидроабразивной обработке вода под давлением подается в насадку и проходит через отверстие, которое усиливает поток воды. Абразивные частицы поступают в поток и выходят из насадки на сверхвысокой скорости. Изображение предоставлено Omax

При гидроабразивной обработке вода под давлением подается в насадку и проходит через отверстие, которое усиливает поток воды. Абразивные частицы поступают в поток и выходят из насадки на сверхвысокой скорости. Изображение предоставлено Omax

По словам Паретта, самая большая проблема при высокоточной гидроабразивной микрообработке – это засорение, возникающее при подаче  абразивных частиц, имеющих в диаметре всего лишь несколько тысячных дюйма. «Гранат, используемый в большинстве случаев при промышленной гидроабразивной обработке, доступен на рынке много лет. Однако для очень тонкой микрообработки, скажем, с насадкой размером 0,2 мм, нам пришлось очень тесно поработать с производителем абразивов Barton International для получения подходящей смеси с нужным размером частиц и качеством кромки, – объясняет Паретт. – Мы прошли длинный путь до наших сегодняшних достижений».

Результаты работы с данной смесью впечатляют. Гранат для гидроабразивной микрообработки с меньшими размерами, чем пылевой клещ, позволяет обрабатывать огромное количество материалов – включая титан, Инконель, стекло и композиты, часто с допусками до  ±0,012 мм и менее. При этом ширина реза может быть всего 0,20 мм, то есть можно осуществлять обработку очень мелких отверстий и деталей.

Питер Лиу (Peter Liu), старший научный специалист в компании Omax Corp. (Кент, Вашингтон, США), занимающейся производством гидроабразивного оборудования, говорит, что есть несколько барьеров, которые нужно преодолеть для создания устройства гидроабразивной микрообработки, позволяющего выполнять мелкие работы. «Если мы продолжим уменьшать насадку, внутренний диаметр отверстия станет таким маленьким, что вакуумный эффект Бернулли (или эффект струйного насоса) ослабеет настолько, что поступление абразивных частиц в смесительную трубку уменьшится. Однако сейчас уже разработаны методы, позволяющие усиливать эффект струйного насоса», – поясняет он. Примечание: принцип Бернулли гласит, что по мере повышения скорости движущейся жидкости давление внутри жидкости уменьшается.

Кроме того, по словам Лиу, высокое сопротивление смеси, проходящей через узкое отверстие смесительной трубки, способствует замедлению движения абразивов, при этом пропорционально снижается режущая способность.

Другая проблема – это сам абразив. По словам Лиу, эмпирическое правило для размера частиц – одна треть от диаметра отверстия смесительной трубки. Однако малый размер микроабразивов (с зерном 320 и выше), используемых в этой сфере, способствует образованию комков, что приводит к прервыистому потоку абразива и непредсказуемому ходу резки. С поддержкой Национального научного фонда и в рамках его Программы инновационных решений для малого бизнеса Omax проводит исследования по дальнейшему уменьшению насадок для гидроабразивной резки – уже успешно прошли испытания смесительной трубки с внутренним диаметром 0,20 мм.

Звук и свет

Ультразвуковая обработка – еще один процесс микропроизводства, который в значительной степени зависит от свободных абразивов. Этот процесс, также известный как «ударное измельчение», сочетает абразивную смесь из оксида алюминия или карбида кремния зернистостью 300 или выше и особо прочный инструмент, обработанный до желаемой формы. Смесь помещается между обрабатываемой деталью и инструментом, который вибрирует на скорости примерно 20 000 оборотов в секунду. Это позволяет быстро и точно обрабатывать элементы деталей размером до 0,2 мм даже в случае таких сверхпрочных материалов, как сапфир и цирконий.

Ультразвуковая обработка используется для получения элементов размером 0,2 мм в случае таких твердых материалов, как сапфир и цирконий. Абразивная смесь поступает между обрабатываемой деталью и инструментом, повторяющим форму детали. Инструмент вибрирует на высокой скорости, изделию придается желаемая форма. Изображение предоставлено Bullen

Ультразвуковая обработка используется для получения элементов размером 0,2 мм в случае таких твердых материалов, как сапфир и цирконий. Абразивная смесь поступает между обрабатываемой деталью и инструментом, повторяющим форму детали. Инструмент вибрирует на высокой скорости, изделию придается желаемая форма. Изображение предоставлено Bullen

Томас Фот (Thomas Fote), директор по развитию бизнеса Bullen Ultrasonics Inc. (Итон, Огайо, США), отмечает, что ультразвуковые операции широко используются в отрасли полупроводников и микроэлектронных механических систем для производства большого числа мелких элементов за одну операцию обработки.

«Прямо сейчас мы обрабатываем 2000 отверстий 0,5 мм с помощью кремниевой пластины диаметром 152,4 мм – все за один раз. Другой пример – нарезание нескольких тысяч микродеталей за один раз из большой основы. Это действительно разновидность резки, только вместо механической пилы мы используем ультразвуковой инструмент».

Несмотря на большой потенциал в обработке мелких деталей, Фот отмечает, что у ультразвуковой обработки нет большой разницы между макро- и микрооперациями. В обоих случаях абразивы используются как режущий материал и как инструмент, имеющий элементы, идентичные элементам желаемого изделия (аналогично электроэрозионному копировально-прошивочному станку).

Но в то время как детали, обрабатываемые на электроэрозионном копировально-прошивочном станке, должны быть токопроводящими, ультразвуковой станок режет практически все, при условии достаточной точности инструмента.

При абразивно-струйной обработке силиконовый каучук, смешанный с абразивом, под напором прокачивается через полости изделия, удаляя заусенцы и полируя внутренние поверхности. Изображение предоставлено Micro Technica

При абразивно-струйной обработке силиконовый каучук, смешанный с абразивом, под напором прокачивается через полости изделия, удаляя заусенцы и полируя внутренние поверхности. Изображение предоставлено Micro Technica

Движение в потоке

Как и в случае с ультразвуковой обработкой, свободные абразивы часто смешиваются с другими средами, позволяя им выполнять работу, которую трудно или практически невозможно сделать иным способом. Абразивно-струйная обработка (АСО) как раз такой случай.

В процессе АСО силиконовый каучук или другой материал, напоминающий по консистенции замазку, смешивается с абразивом, например, карбидом кремния, где частицы находятся во взвешенном состоянии. Получившаяся смесь под напором прокачивается через полости изделия, удаляя заусенцы и полируя внутренние поверхности. Джон Стакхаус (John Stackhouse), директор по развитию бизнеса Североамериканского отделения Micro Technica Technologies GmbH (Корнвестгейм, Германия), рассказывает, что процесс АСО компании под названием MicroStream широко применяется для восстановления экструзионных матриц. С помощью этого процесса можно также снимать заусенцы и восстанавливать до первоначального состояния топливные форсунки, ортопедические импланты, лопатки турбин реактивных двигателей, компоненты компрессоров и массу других деталей с труднодоступными внутренними элементами.

На первый взгляд, впрыск силиконового полимера в блок двигателя не производит впечатления предсказуемого процесса, но Стакхаус отмечает, что АСО – очень точный и контролируемый процесс. «АСО заменяет ручную полировку и снятие заусенцев – ручную работу, которая зависит от умения выполняющего ее специалиста и целого ряда факторов. Поскольку мы можем контролировать вязкость среды, используемой в АСО, а также количество и тип абразива, цикл потока, давление и т.д. – в итоге становится несложно  получить предсказуемые результаты».

Система АСО MicroStream обеспечивает чистовую обработку поверхности с шероховатостью менее 5 мкм (0,12 мкм) при полировке пресс-форм для литья алюминия. Также она может использоваться для удаления заусенцев в микроотверстиях более 0,8 мм. Для более мелких отверстий (менее 0,8 мм) Micro Technica рекомендует систему MicroStream MHC. Она работает с жидкой абразивной смесью для удаления заусенцев в отверстиях до 50 мкм.

Системы для микроабразивной струйной обработки раскачивают частицы абразивного порошка, который подается в высокоскоростной воздушный поток, ударяющий по поверхности обрабатываемого изделия. Crystal Mark рекомендует свой пескоструйный аппарат Micro Sandblaster для удаления заусенцев, снятия покрытия, очистки и удаления оплавленного слоя на деталях после электроэрозионной обработки (вверху). Изображение предоставлено Crystal Mark

Системы для микроабразивной струйной обработки раскачивают частицы абразивного порошка, который подается в высокоскоростной воздушный поток, ударяющий по поверхности обрабатываемого изделия. Crystal Mark рекомендует свой пескоструйный аппарат Micro Sandblaster для удаления заусенцев, снятия покрытия, очистки и удаления оплавленного слоя на деталях после электроэрозионной обработки (вверху). Изображение предоставлено Crystal Mark

Базовая комплектация системы АСО может стоить 100 000 долларов США, а стоимость высокопроизводительных автоматизированных установок, например, таких, которые используются на предприятии Rolls-Royce и Pratt & Whitney, может быть и в 10 раз выше.

Несмотря на уровень цен, Стакхуас заявляет, что у его клиентов несколько станков работают практически круглосуточно. «Иногда это единственный способ получить нужную геометрию, размер и качество кромки».

От винта!

Микроабразивная струйная обработка включает прикрепление полимерной пленки толщиной с бумажный лист на поверхность обрабатываемой детали перед тем, как выборочно подвергнуть ее воздействию ультрафиолета через негатив геометрии готовой детали. Там, куда попадает ультрафиолет, полимер становится хрупким. Далее на всю обрабатываемую деталь направляется струя абразивов под давлением. Зоны, попавшие под воздействие УФ-лазера, вытравливаются, тогда как пленка защищает оставшиеся части детали от абразивных частиц.

«Это автоматизированный процесс, который позволяет надежно удалять материал на глубину примерно 0,75 мм, – объясняет Фот. Его компания Bullen Ultrasonics предлагает услуги микроабразивной струйной обработки. – После этого маска начинает разрушаться. Сложность этого процесса связана с прямолинейностью стенок. Мы предупреждаем клиентов, что получается конус примерно 22°. Если это некритично, абразивная струя – хорошая альтернатива ультразвуку, особенно при небольших объемах работы, когда стоимость  оснастки может иметь большое значение».

Системы для микроабразивной струйной обработки раскачивают частицы абразивного порошка, который подается в высокоскоростной воздушный поток, ударяющий по поверхности обрабатываемого изделия. Crystal Mark рекомендует свой пескоструйный аппарат Micro Sandblaster для удаления заусенцев, снятия покрытия, очистки и удаления оплавленного слоя на деталях после электроэрозионной обработки (вверху). Изображение предоставлено Crystal Mark

Системы для микроабразивной струйной обработки раскачивают частицы абразивного порошка, который подается в высокоскоростной воздушный поток, ударяющий по поверхности обрабатываемого изделия. Crystal Mark рекомендует свой пескоструйный аппарат Micro Sandblaster для удаления заусенцев, снятия покрытия, очистки и удаления оплавленного слоя на деталях после электроэрозионной обработки (вверху). Изображение предоставлено Crystal Mark

Bullen использует оборудование производства Crystal Mark Inc. Эта компания, базирующаяся в Глендейле (Калифорния, США), выпускает оборудование для абразивной очистки и оказывает соответствующие услуги.

Вице-президент Crystal Mark по управлению Кейт Суон (Keith Swan) рассказала, что пескоструйные аппараты Micro Sandblaster имеют встроенные электромагнитные вибраторы, которые постоянно раскачивают частицы абразивного порошка, который затем подается в высокоскоростной воздушный поток. Этот процесс отличается стабильностью и поддается регулированию. Данная технология делает пескоструйную шлифовку идеальной для удаления заусенцев и подготовки поверхности зубных имплантатов и артериальных шунтов, удаления покрытия и снятия заусенцев с оборудования, чувствительного к электростатическим разрядам.

Несмотря на широкое применение пескоструйного шлифования в промышленности, процесс нельзя назвать идеально точным. «Существует ряд переменных. Первая и наиболее важная из них – сам абразив, но также на результат влияют рабочее давление, размер насадки, расстояние до обрабатываемой детали, угол потока, скорость движения потока. Пескоструйный аппарат – просто инструмент, а его использование зависит от детали и материала. Подбор подходящего процесса очень часто производится методом  проб и ошибок, пока вы не найдете лучший способ для данной детали», – говорит Кейт Суон.

Подбор зерна микроабразива – настоящее искусство

Компания Barton International Inc. начала свою деятельность в 1878 году с добычи и измельчения граната, из которого затем изготавливалась шлифовальная бумага. Выпускать  микроабразивы компания начала в конце 1930-х годов, в основном для производителей оптики для перископов, биноклей и других специальных линз, использовавшихся во время Второй мировой войны.

Как говорит Рэнди Рэппл (Randy Rapple), президент компании Glens Falls (Нью-Йорк, США), с тех пор Barton расширяла свое присутствие на других рынках, включая производство электроники и судостроение, и существенно увеличила свое производство оборудования для абразивной водоструйной шлифовки.

Barton использует фирменный процесс для измельчения гранатового микроабразива. Изображение предоставлено Barton International

Barton использует фирменный процесс для измельчения гранатового микроабразива. Изображение предоставлено Barton International

По словам Рэппла, большинство из доступных сегодня абразивов производятся традиционным способом шарового размола, при этом у Barton свой собственный фирменный процесс.

Независимо от метода производства обеспечение точного размера зерна остается настоящим искусством. «Независимо от размерного допуска, производителям абразивов легко сказать, что они соблюдают спецификации, но фактически сделать это гораздо труднее. У микроабразивов может быть разница в размере зерна в пределах половины микрона. Для этого требуется постоянно контролировать производственный процесс и поставляемое сырье, то есть измерять каждую партию материала. Хороший поставщик абразивов предлагает материал, идентичный тому, что он поставлял 10 лет назад», – отмечает Рэппл.

Тем, кто подыскивает лучшие абразивы, важнее всего найти правильную спецификацию. Конечный пользователь должен сначала выбрать спецификацию, максимально подходящую к сфере применения – вот залог успеха.

Складывается тенденция, особенно при разработке новых сфер применения, чрезмерно перестраховываться с требованиями. Например, пользователи могут заказывать шлифовальное зерно с более жесткими, чем требуется, допусками по размеру, из опасения поцарапать обрабатываемую деталь. В результате они зря тратят деньги.

По словам Рэппла, очень важно работать с компанией, обладающей необходимым опытом, которая может дать дельный совет по подбору абразивов.

Источник материала: перевод статьи
Loose abrasives used many ways to cut hard materials,
MICROmanufacturing

Автор статьи:
Кип Хэнсон (Kip Hanson),
приглашенный автор

Соавторы:
Barton International Inc.
Bullen Ultrasonics Inc.
Crystal Mark Inc.
Micro Technica Technologies GmbH
Micro Waterjet LLCOmax Corp.

Об авторе статьи:

Кип Хэнсон – практикующий консультант, внештатный автор.



Понравилась статья? Поделитесь: