Микрофрезы

Обработка закаленной экструзионой головки микрофрезой (источник: LMT)

Разработки в мире технологий значительно увеличивают спрос на изготовление миниатюрных деталей. В свете этих тенденций перед многими производителями пресс-форм встают абсолютно новые трудности и проблемы. Для решения этих проблем компания LMT создала новые микрорезцы, позволяющие значительно сократить время обработки.

Микрофрезерование стало весьма актуальным ввиду все нарастающей миниатюризации деталей в сочетании с облегчением конструкции. В ответ на такую тенденцию группа компаний LMT Tools разработала высокопроизводительные режущие инструменты для использования в автомобильной и аэрокосмической промышленности, при производстве медицинской техники и потребительских товаров. Их продукцию по праву можно назвать инновационной, особенно в области малых пресс-форм.

Однако потенциал микрофрез не ограничивается лишь фрезерованием. Например, они могут полностью заменить гравировальные резцы. Такая замена очень выгодна, что уже доказано практическим применением подобных микроинструментов.

Микрорезание обладает рядом значительных отличий

Для микрорезания существует ряд особых требований, которые во многом отличаются от тех, что выдвигаются к обработке с помощью обычных инструментов. Объясняется это просто – принципы классической теории резания металла неприменимы в этих процессах один к одному. Например, скорость резания 150 м/мин в данном случае невозможна, поскольку для диаметра 0,2 мм потребуется скорость шпинделя 239 000 оборотов в минуту. Для микроразмеров установлены и специальные требования к жесткости инструментов, чтобы они могли выдержать составляющие силы резания. С этой целью еще на этапе производства инструментов должны быть приняты специальные меры, основная задача которых – свести к минимуму износ режущей кромки и биение.

Рис. 1а. Анализ методом конечных элементов показывает слабую точку в переходе к стержню инструмента – обычной концевой фрезы

Рис. 1а. Анализ методом конечных элементов показывает слабую точку в переходе к стержню инструмента – обычной концевой фрезы

Зачастую основной причиной выхода микроинструмента из строя является поломка. Но не всегда это обусловлено лишь дефектами геометрии режущей кромки. Не менее важную роль играют неподходящие параметры резания с учетом снижения жесткости резца и уменьшения диаметра инструмента.

Рис. 1б. Анализ методом конечных элементов показывает слабую точку в переходе к стержню инструмента – микрофрезы

Рис. 1б. Анализ методом конечных элементов показывает слабую точку в переходе к стержню инструмента – микрофрезы

Анализ методом конечных элементов позволил разработать новую, более стабильную геометрию инструмента, в результате чего появились микрофрезы. Этот вид микроинструмента, с одной стороны, отличается сниженным риском поломки, а с другой обеспечивает более точные результаты и высокую надежность процесса, что, в свою очередь, значительно сокращает время обработки. Распределение напряжения (рисунок 1а) показывает наиболее чувствительную к разрушениям точку на обычной концевой фрезе – при переходе от длинной и тонкой части режущей кромки к стержню. Для того чтобы увеличить статическую и динамическую устойчивость инструмента, «слабое место» было перенесено в область, где на него оказывается меньшее воздействие (рисунок 1б).

Рис. 2. Обработка закаленной экструзионой головки микрофрезой (источник: LMT)

Рис. 2. Обработка закаленной экструзионой головки микрофрезой (источник: LMT)

Микрогеометрия режущих кромок влияет на производительность

Микрогеометрия режущей кромки, безусловно, имеет существенное влияние на производительность инструмента. Появление зазубрин при шлифовании канавок можно устранить, обработав поверхность пучком ионов, что также позволит значительно продлить срок службы инструмента.

Режущие эффекты в области микрообработки значительно отличаются от обычных и могут перевернуть с ног на голову все наши представления о процессе фрезерования. В таких случаях лишь большой опыт специалистов в области разработки и внедрения инструментов может привести новые требования в соответствие с фундаментальными знаниями. К тому же основные требования в сфере использования микроинструментов в отличие от их макроаналогов остаются неизменными: надежность процесса, высокое качество заготовки и низкая себестоимость.

Рис. 3. Гравировальный резец (на заднем плане) можно заменить микроинструментом для высокоскоростного резания. Справа на фото полностью готовый чеканочный штамп с покрытием

Рис. 3. Гравировальный резец (на заднем плане) можно заменить микроинструментом для высокоскоростного резания. Справа на фото полностью готовый чеканочный штамп с покрытием

Два приведенных примера по-разному демонстрируют производительность микрофрезы. С одной стороны, мы имеем дело с обработкой закаленного металла экструзионной головки для таблеточного пресса (рисунок 2). С другой стороны, мы видим замену гравировального резца на микрофрезу для изготовления чеканочного штампа (рисунок 3). Оба примера взяты из производственного процесса компании Fette Compacting.

Теория важна, но практика имеет решающее значение

Fette Compacting выпускает таблеточные прессы для фармацевтической и химической промышленности. Эта компания считает себя лидером в сфере технологий и предоставления услуг благодаря тому, что исключительно своими силами разрабатывает и производит устройства и инструменты для изготовления таблеток: от экструзионной головки таблеточного пресса с компьютерным управлением до изолятора. К тому же среди их продукции представлен широкий ассортимент периферийных устройств.

Миниатюрные резцы подходят даже для резания твердого металла. Так, в этих целях применялась высокоскоростная концевая микрофреза из твердого сплава диаметром 1 мм с покрытием. Данный инструмент имеет две режущих кромки и закругленный конец (радиусом 0,5 мм). Покрытие – TiSiN. Инструмент использовался на стандартном фрезерном станке с высокоскоростным шпинделем. Материал – PM HSS (быстрорежущая инструментальная сталь) с твердостью 50 по шкале Роквелла – обрабатывался со следующими параметрами резания:

  • скорость резания vc = 94 м/мин;
  • частота вращения – n = 30 000 об/мин;
  • подача на зуб fz = 0,02 мм;
  • скорость подачи vf = 1200 мм/мин;
  • радиальная глубина резания ae = 0,05 мм;
  • осевая глубина резания ap = 0,02 мм.

В качестве второго примера был выбран процесс изготовления чеканных штампов, целью которого было значительное сокращение издержек производства. Чеканочные штампы для производства головок для экструзии таблеток содержат логотип LMT, который затем появляется на продукции, изготовленной с помощью этих инструментов. Подобные операции ранее выполнялись с помощью гравировальных резцов и включали черновую и чистовую обработку. Использовался гравер из твердого сплава с углом при вершине 60°. При этом переменные контакта составляли всего лишь: ae = ap = 0,002 мм.

Поскольку процесс занимал много времени в связи с малыми значениями переменных, было решено заменить его микрофрезерованием. Использовались 3 разные микрофрезы с покрытием VHM для черновой и чистовой обработки:

  • черновая обработка пресс-формы инструментом диаметром 2 мм;
  • черновая обработка инструментом диаметром 1 мм;
  • чистовая обработка инструментом диаметром 0,4 мм.
Рис. 4. Производственные затраты могут быть сокращены на 69%

Рис. 4. Производственные затраты могут быть сокращены на 69%

Все режущие инструменты имели две режущие кромки и закругленный конец, при этом частота вращения составляла 39 810 оборотов в минуту. Размер партии, изготавливаемой данным способом, составлял 50 чеканочных штампов в год. На обработку этих 50 деталей с помощью гравировального резца требовалось 843 часа, а с помощью микроинструментов данное время было сокращено до 252 часов. Дополнительно был увеличен срок службы инструмента – в три раза благодаря использованию микрофрез.

Благодаря сокращению времени обработки себестоимость продукции снизилась на 69% (см. рисунок 4). В расчете на 50 деталей экономия в данном случае составляет свыше 58 000 евро в год. Это позволяет сделать вывод, что гравировальные резцы могут быть с успехом заменены высокоскоростными микроинструментами.

Микроинструменты подходят и для легких материалов

Все большую значимость в промышленности приобретают легкие материалы, такие как углепластики, и для их обработки необходимы специальные инструменты. В их число входят сверла с наконечником из поликристаллического алмаза, доступные с диаметром от 0,8 мм и разрешенным допуском воспроизводимости до IT8.

Возможность переточки значительно снижает затраты на инструмент. Например, сверла с наконечником из кубического нитрида бора диаметром от 0,4 мм подходят и для абразивных материалов. Данная линейка дополнена небольшими метчиками для резьбы M1,6.

Совместная работа производителя и пользователей – основа успешного, а главное, выгодного использования микроинструментов, поэтому такое сотрудничество рекомендуется начинать уже на раннем этапе процесса планирования и разработки.

Источник материала: перевод статьи
High-performance cutters for micro-milling applications,

ETMM

Автор статьи:
доктор Дитхард Томас
(Diethard Thomas),

консультант LMT

Редактор:
Барбара Шульц
(Barbara Schulz)



Понравилась статья? Поделитесь: