eng
Содержание
Содержание
Введение ....................................................................................................8
Глава 1. Микрообработка резанием .......................................................12
1.1.
Особенности технологии микрообработки резанием ...............12
1.2.
Оборудование для микрообработки резанием ..........................16
1.2.1.
Металлорежущие станки для фрезерования ....................16
1.2.2.
Металлорежущие станки для комплексной
обработки ...........................................................................18
1.2.3.
Оборудование для наноразмерной обработки .................20
1.2.4.
Технологическая оснастка.................................................22
1.3.
Сверление ...................................................................................28
1.3.1.
Применение микросверл ..................................................29
1.3.2.
Сверление глубоких микроотверстий ..............................30
1.3.3.
Сверление отверстий в подложках микросхем ................34
1.3.4.
Сверление деталей точного приборостроения .................39
1.3.5.
Обработка микроотверстий физико-химическими
способами ..........................................................................44
1.4.
Обработка малоразмерных деталей на токарных
автоматах с ЧПУ .........................................................................52
1.4.1.
Унификация элементов инструментальных
комплектов для обработки малоразмерных деталей ........55
1.4.2.
Растачивание точных отверстий .......................................63
1.4.3.
Диагностирование процесса обработки ...........................66
1.5.
Фрезерование .............................................................................73
1.5.1.
Оптимизация геометрии микрофрез ................................76
1.5.2.
Микрообработка деталей часов ........................................82
1.5.3.
Эффективность применения алмазоподобных
покрытий на микрофрезах ................................................86
1.5.4.
Диагностирование и контроль микрофрезерования .......91
1.6.
Нанорезание оптики ..................................................................98
1.6.1.
Растачивание массивов микролинз профильным
алмазным резцом .............................................................100
1.6.2.
Алмазное фрезерование деталей оптики из хрупких
материалов .......................................................................104
1.6.3.
Шлифование деталей приборов .....................................105
1.7.
Лазерная микрообработка ........................................................ 111
Глава 2. Аддитивные технологии ......................................................... 119
2.1.
Оборудование для аддитивных технологий .............................120
2.2.
Производство порошков для аддитивных технологий ...........124
2.3.
Селективное лазерное спекание керамических
микродеталей ............................................................................126
2.4.
Стереолитография (технология SLA) ...................................... 131
2.5.
Искровое плазменное спекание порошков .............................135
2.6.
Получение отливок микродеталей из порошка ......................140
Глава 3. Наноструктурные покрытия микроинструмента ..................145
3.1.
Свойства и применение нанопокрытий ..................................145
3.2.
Методы нанесения нанопокрытий ..........................................150
3.2.1.
Осаждение нанопокрытий ..............................................150
3.2.2.
Ионно-плазменное нанесение .......................................153
3.2.3.
Молекулярно-лучевая эпитаксия ...................................154
3.2.4.
Импульсное лазерно-плазменное напыление ...............157
3.2.5.
Ионное легирование .......................................................158
3.3.
Износостойкость твердосплавных фрез
с нанопокрытием ......................................................................160
3.4.
Нанесение нанопокрытий на керамический инструмент ......168
Глава 4. Инструментальное обеспечение микрообработки ................175
4.1.
Инструментальные системы для микрообработки
резанием ....................................................................................176
4.1.1.
Инструментальные системы
для микрофрезерования ..................................................176
4.1.2.
Инструментальные системы токарных
автоматов с ЧПУ ..............................................................182
4.1.3.
Инструментальная система для крупногабаритных
изделий ............................................................................186
4.2.
Автоматизация инструментального обеспечения
микрообработки........................................................................ 191
4.2.1.
Изготовление упаковки для вспомогательного
инструмента ..................................................................... 191
4.2.2.
Кодирование упаковки (тары) для малоразмерного
инструмента .....................................................................194
Глава 5. Контроль размеров и параметров поверхностей
микродеталей .......................................................................................198
5.1.
Контрольно-измерительные машины .....................................198
5.2.
Средства измерений параметров наноразмерных
объектов ....................................................................................205
5.2.1.
Средства экспериментального исследования
наноструктур ....................................................................206
5.2.1.1.
Электронная микроскопия ...................................207
5.2.1.2.
Сканирующая зондовая микроскопия .................208
5.2.1.3.
Атомно-силовая микроскопия .............................211
5.2.1.4.
Дифракционный анализ .......................................213
5.2.1.5.
Рентгеноструктурный анализ ...............................215
5.2.1.6.
Спектральные методы ...........................................215
5.2.2.
Фракционный анализ нанопорошков ............................216
5.2.3.
Измерение твердости и модуля упругости
в поверхностном слое ......................................................217
5.2.4.
Меры длины в наноразмерном диапазоне .....................220
Заключение ...........................................................................................223
Литература ............................................................................................226
Приложение. Список фирм, упомянутых в книге ...............................233
Введение
Миниатюризация изделий позволяет повысить количество интегриро-
ванных функций, надежность, функциональность, удобство изделий,
снизить их вес и стоимость, а также понизить потребление энергии и
ресурсов в процессе производства и эксплуатации. К таким изделиям
можно отнести: медицинские приборы и импланты, изделия для авто-
и авиастроения, оптической промышленности, коммуникационных
технологий, бытовую электронику и средства связи. В связи с этим
актуальными тенденциями являются изготовление микроизделий и
функциональных поверхностей, имеющих сложную структуру.
К микрообработке относятся способы изготовления, технологии,
оборудование, организационные стратегии и системы для производства
микродеталей (рис. 1) или изделий, которые имеют обрабатываемые по-
верхности с размерами в субмиллиметровом диапазоне (рис. 2).
Введение 9
Одновременно с уменьшением типоразмеров средств связи и управ-
ления возросла сложность изготовления этой техники, что потребовало
освоения наноразмерной технологии.
Чтобы удовлетворить всевозрастающую потребность в микрокомпо-
нентах и микродеталях и при этом сохранить производственные расходы
на низком уровне, такие детали изготавливаются, помимо микрорезания,
самыми современными методами, такими как высокоточные прессова-
ние и штамповка, электроэрозионная и лазерная обработка, аддитивные
технологии, литье под давлением и т.п.
Тем не менее микрорезание, под которым понимают обработку
с удалением слоя материала деталей со сложной геометрией в диапазоне
размеров от 0,05 до 16 мм с помощью режущего инструмента, лидирует
по экологичности и остается наиболее употребимым в серийном и еди-
ничном производстве.
Однако простой переход из области обычного резания в область
микрорезания даже при хорошем владении технологическими процес-
сами невозможен. Для этого необходимо в комплексе рассматривать
следующие факторы: проектирование в среде CAD/CAM, перспектив-
ные направления в создании микротехники, возможности металлоре-
жущих станков и их оснастки, факторы и условия обработки, материалы
заготовок, параметры режущего инструмента и устройств для их уста-
новки.
Из-за большого числа оборотов, требуемых для осуществления
микрорезания, в особенности решающим фактором для надежности
процесса резания и качества обработки является исполнение шпинде-
ля и точность концентрического вращения. Например, возможности
металлорежуших станков и их оснастки работать с частотой вращения
инструмента 10 тыс. мин–1 неприемлемы для фрезы диаметром 0,1 мм,
так как скорость резания около 3,2 м/мин будет слишком мала.
В то же время использование высокоскоростных шпинделей, дающих
до 200 тыс. мин–1, требует высочайшей точности изготовления. Ведь из-за
возникновения радиального биения не только радикально снижается ка-
чество обрабатываемой поверхности, но и стойкость микроинструмента
из-за высоких температурных колебаний или вибраций.
В борьбе за высокую надежность значительно расширились возмож-
ности микрорезания при помощи современных технологий нанесения
покрытий, особенно применительно к толщине и составу покрытий.
Системы покрытий, разработанные под конкретные задачи, делают
возможным увеличение стойкости инструмента и объема снимаемой
стружки, получение наилучшего качества обработки и оптимизирован-
10 Введение
ного технологического процесса. Одной из сложных задач, встающих
перед поставщиками технологий нанесения покрытий, является на-
несение как можно более тонкого, но в то же время твердого и гладкого
покрытия с хорошей адгезией.
Наряду с этим проблематичным остается округление режущих кромок
и повышенная шероховатость поверхности после нанесения покрытия
вплоть до образования капель.
Для микрорезания чаще всего используются покрытия, базирующи-
еся на нитриде титана алюминия (TiAlN), карбонитриде титана (TiCN)
или карбонитриде титана алюминия (TiAlCN). Для обработки таких
материалов, как медь, латунь, мельхиор или алюминиевые сплавы,
применяются покрытия на основе нитрида хрома циркония (ZrCrN),
которые чаще всего наносятся как многослойные покрытия.
Новые системы покрытий на основе нитрида кремния (SiN), особенно
для обработки закаленных и высоколегированных сталей, состоят из
нанокомпозитов с высоким содержанием нитритов. Эти композитные
покрытия состоят из нанокристаллических зерен, которые встроены
в аморфную матрицу.
Компоненты покрытия при этом не смешиваются, а интегрированы
в качестве связки в матрицу из нитрида кремния (Si3N4). Эти покрытия
имеют предельную нанотвердость и очень высокую вязкость, а также
хорошую адгезию к субстрату инструмента за счет низких внутренних
напряжений в покрытии.
Твердосплавный инструмент с алмазным покрытием (тонкая CVD-
пленка) уже имеет хорошую репутацию в макрорезании, и этот опыт
переносится на процесс микрорезания и успешно там используется.
Комбинация новых покрытий после тщательной предварительной об-
работки делает инструмент с алмазным покрытием экономически вы-
годным для микрообработки.
Из-за широкой области применения микрорезания существенно
возросли требования к инструменту и его разнообразию. При помощи
оптимизации старых и создания новых моделей производители пре-
цизионного микроинструмента значительно расширили возможности
микрорезания. Изготовители микродеталей имеют в распоряжении
микроинструмент с широкой номенклатурой исполнений с различной
геометрией режущих частей.
Имеются микрофрезы разнообразных диаметров с различными угла-
ми подъема винтовой линии и специальной геометрией инструмента.
За счет новой геометрии инструмента и режущих кромок они подходят
для изготовления глубоких канавок и сложных профилей в твердых
Введение 11
материалах, так как снижаются вибрации и возрастает динамическая
стабильность при фрезеровании с большим вылетом.
В сфере обработки отверстий поставляются микросверла и микрораз-
вертки, которые применяются для изготовления форсунок. Ассортимент
пополняется сверлами для глубокого сверления и многофункциональ-
ными микроинструментами для устранения заусенцев, центрования и
зенкерования, то есть почти для всех областей применения в микро-
резании.
Микрообработка давно вышла из лабораторий научно-исследова-
тельских институтов. Если на первых порах под микрорезанием под-
разумевалось преимущественно фрезерование, то теперь, благодаря
инновационному оборудованию с ЧПУ, оборудованию для физико-хи-
мической обработки и наноразмерным средствам контроля, микроре-
зание расширило свои возможности вплоть до комплексной обработки
самых сложных деталей за одну установку.
В предлагаемом учебном пособии представлены основные элементы
производства микродеталей машиностроительного производства, меди-
цинской техники, радиотехники и электроники, оптических приборов
и режущего микроинструмента. Дано описание основных видов обо-
рудования и унифицированных инструментов для обработки резанием
заготовок микродеталей из основных применяемых конструкционных
материалов.
Приведены сведения о режущем и вспомогательном инструменте и
методах диагностирования состояния технологических процессов ми-
крообработки. Дано представление о современных способах повышения
надежности режущего инструмента путем нанесения антифрикционных
покрытий на микроинструмент.
Современное состояние аддитивных технологий, применяемых в про-
изводстве микродеталей, включая виды прототипирования, особенности
порошковых материалов и способы их спекания и литья под давлением,
также отражены в данном учебном пособии.
Особое внимание уделено средствам контроля качества изготовлен-
ных микродеталей и состояния их поверхностей в нанометровом диа-
пазоне размеров. Дано представление об особенностях поверки таких
средств контроля и измерений.
Учебное пособие предназначено для будущих инженеров, обучаю-
щихся по направлению подготовки 15.05.01 «Проектирование технологи-
ческих машин и комплексов» и будущих магистров науки и технологий,
обучающихся по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические
машины и оборудование».
1.1. Особенности технологии микрообработки
резанием
В настоящее время изготовление сложных по профилю миниатюрных
изделий и обработка поверхностей малой площади являются серьезной
проблемой для различных отраслей оборонного и гражданского ма-
шиностроения. К таким изделиям относятся пресс-формы и штампы
для изготовления деталей микрокомпонентов управляющих устройств,
литьевые формы для изготовления пластмассовых микродеталей
сложной геометрии, электроды для электроэрозионной обработки
миниатюрных протезов и микроинструментов для малоинвазивной
хирургии и др.
Под микрообработкой резанием далее понимается обработка миниа-
тюрных изделий и обработка сложных по профилю поверхностей малой
площади на крупных деталях (рис. 1.1).
1.1. Особенности технологии микрообработки резанием 13
К миниатюрным изделиям будем также относить необходимый для
микрообработки режущий инструмент, имеющий диаметр менее одного
миллиметра, и соответствующие приспособления, входящие в инстру-
ментальные системы для микрообработки.
Для изготовления миниатюрных изделий широко применяются
сверление и фрезерование малоразмерным инструментом. Эти процес-
сы характеризуются повышенной сложностью, так как происходят при
переменных факторах в каждый момент времени рабочего хода. Пропуск
отказа при обработке малоразмерными сверлами и концевыми фрезами
очень часто приводит к их поломке.
Отказы инструмента при микрообработке резанием, как правило,
полные, то есть требующие немедленного прекращения резания, и
неполные (возможно кратковременное резание). Это обусловлено
очень малым различием между силой резания и соответствующим кру-
тящим моментом, необходимыми для преодоления сил сопротивления
резанию, и силами, определяющими начало разрушения тела инстру-
мента.
Поэтому для надежности микрообработки резанием в условиях
автоматизированного производства необходимо создание и внедрение
в технологическое оборудование систем диагностирования состояния
режущего инструмента и контроля процесса резания.
Диагностирование состояния режущего инструмента в процессе ре-
зания осуществляется в результате сравнения действительного значения
параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым
значением, устанавливаемым субъектом управления.
С целью обеспечения более высокой надежности процесса обра-
ботки путем диагностирования состояния режущего инструмента по
косвенному диагностическому признаку необходимо назначать режимы
резания, дающие большую вероятность безотказной работы режущего
инструмента.
Повышение универсальности инструмента предусматривает его рабо-
ту на разных глубинах резания и подачах, а также возможность «смены
ролей» главной и вспомогательной режущих кромок, что усложняет
структуру отказов за счет появления повреждения и затем отказов раз-
личной локализации.
Поэтому установление косвенных диагностических параметров,
в наибольшей степени взаимосвязанных с критерием отказа или яв-
ляющихся наиболее чувствительными к его изменению, в микрообра-
ботке резанием является крайне сложной, практически неразрешимой
задачей.
14 Глава 1. Микрообработка резанием
Поэтому чаще используют метод непосредственного наблюдения за
положением малоразмерных сверл и концевых фрез в рабочем простран-
стве. При этом контролю подвергаются не только размеры детали, но и
позиция вершины инструмента относительно торца шпинделя. Также
под контролем находятся температурные деформации шпинделя станка
с целью компенсировать его тепловое расширение.
Для микрообработки применяются высокоточные станки, которые
обеспечивают точное позиционирование инструмента, а также его мини-
мальное биение. Данные станки снабжают специальными оптическими,
контактными, а также бесконтактными измерительными системами. При
уровне увеличения в 400 раз рабочей зоны при микрофрезеровании и ми-
кросверлении достигается требуемая точность обрабатываемых деталей.
Конструкция инструментальной системы для микрообработки, как
правило, несложная, с небольшим числом деталей, но содержит высоко-
точные и сложнопрофильные соединения. В связи с этим инструмент
приобретает дополнительные «слабые» места, которые в процессе экс-
плуатации получают повреждения, приводящие к отказам.
Экономичность инструментальной системы для микрообработки
резанием и полнота использования всех ее ресурсов часто определяется
широтой сферы ее применения. Применительно к малоразмерному ре-
жущему инструменту это, в первую очередь, предполагает использование
инструментального материала, отвечающего группе критериев, таких
как износостойкость, вязкая прочность, хрупкая контактная прочность
и хрупкая объемная прочность.
При высокоточной микрообработке используются специальные
устройства для зажима инструмента, имеющие монолитное, враща-
тельно-симметричное строение, обеспечивает длительный срок службы
шпинделя станка. Например, термический зажим хвостовика инстру-
мента обеспечивает концентричность менее 0,003 мм при частоте вра-
щения шпинделя до 60 000 мин–1, что наилучшим образом подходит
для достижения необходимой скорости микрорезания.
Другой особенностью микрообработки является то, что при установке
и транспортировке необходимо исключить вмешательство человека.
Для этих целей разрабатывают специальную манипуляционную технику
для перемещения микроинструментов и миниатюрных деталей, вклю-
чающую микроскопы и многокоординатных роботов. В конструкциях
роботов используют манипуляторы с механическим и гидравлическим
приводами, а также пьезоманипуляторы.
Наиболее простыми являются механические микроманипуляторы
с точностью позиционирования 0,1–5 мкм, построенные на базе высо-
1.1. Особенности технологии микрообработки резанием 15
коточных прецизионных винтов. Более точными являются гидравличе-
ские микроманипуляторы, которые преобразуют механические усилия,
создаваемые в специальном дистанционном управляющем устройстве,
в давление на манипуляторную мембрану. Гидравлика обеспечивает
высокоточные плавно редуцируемые движения манипулятора.
Например, в нанопрецизионном станке мод. МК6510 конструкции
ОАО «Красный Пролетарий» с гидроманипулятором обеспечивается
обработка торцовых поверхностей металлооптики с шероховатостью
Ra 0,0025 мкм и точностью размеров в пределах 0,1 мкм.
Как было указано выше, основными видами миниатюрного инстру-
мента для микрообработки резания являются концевые фрезы и сверла.
Концевая фреза является одним из основных инструментов для микро-
обработки за счет широкой области применения: для обработки пазов,
уступов с взаимно перпендикулярными поверхностями, для контурной
обработки заготовок и др.
Учитывая особенности процесса микрообработки, к фрезам предъяв-
ляют особые требования, главным из которых является высокая точность
изготовления инструмента. Концевые фрезы для микрообработки в силу
их конструктивных особенностей и условий резания изготавливаются
монолитными заодно с цилиндрическим хвостовиком, реже – в виде
коронок и вставок, соединяемых пайкой со стальным хвостовиком. Для
повышения точности микрообработки и экономии дорогостоящего об-
рабатываемого материала фрезы имеют упрощенную форму стружечных
канавок.
Для изготовления малоразмерных концевых фрез и сверл диаме-
тром 0,12…3,0 мм с общей длиной 30–140 мм и длиной рабочей части
0,35–22 мм для микрообработки резанием используется метод ско-
ростной вышлифовки профиля канавок и зубьев алмазными кругами
на металлической связке на шлифовально-заточных 5-координатных
станках с ЧПУ.
Совокупность и правильность перемещений при многопроходном
шлифовании обеспечивает получение заданной формы винтовой
поверхности канавки изготавливаемого режущего инструмента, а
также заданные геометрические параметры режущей части инстру-
мента.
Для повышения точности изготовления микроинструмента применя-
ют специальные комбинированные измерительные системы, состоящие
из оптики и микрощупа, способные осуществлять позиционирование
в нанодиапазоне и измерение с точностью 50 нм.
16 Глава 1. Микрообработка резанием
1.2. Оборудование для микрообработки
резанием
1.2.1. Металлорежущие станки для фрезерования
Эти станки оснащаются электрошпинделями на воздушных подшипниках
с верхним пределом частоты вращения 120 000 мин–1 со скоростями подач
от 2,5 мм/мин, точностью и повторяемостью позиционирования в пределах
±1 мкм с помощью стеклянных шкал, имеющих разрешение 0,1 мкм по
всем осям. Для охлаждения инструмента применяется туман на основе рас-
тительного масла, который обеспечивает также смазку и удаление стружки.
Минимальный размер обрабатываемой детали определяется приспособле-
нием, установленным на столе и применяемым режущим инструментом.
Конструкции многих обрабатывающих центров (ОЦ), предназначен-
ных для микрофрезерования, обеспечивают автоматизацию процесса из-
готовления детали, а также контроль вибраций с представлением уровня
колебаний на мониторе системы ЧПУ. Как правило, в качестве опций
предлагается термостабилизация и стол, приспособленный для фиксации
спутников и многопозиционный накопитель спутников в стандартном
исполнении. Модифицированная портальная конструкция обеспечивает
фронтальный доступ к зоне обработки и смену спутников сзади. Вместо
устройства смены спутников может использоваться робот (рис. 1.2).
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 17
В ряде конструкций ОЦ имеется встроенный лазер для точечной
сварки и профильной резки плоских микродеталей типа зубчатых колес
(рис. 1.3).
Наиболее массовые станки для микрообработки оснащены шпин-
делями с максимальной частотой вращения 50 000 мин–1 с главным
приводом мощностью порядка 3–4 кВт и имеют управление по 3 осям
с линейными электроприводами. Максимальное значение скорости
подачи по осям – 60 м/мин. Пример такого станка показан на рис. 1.4,
а его характеристики приведены в табл. 1.1.
18 Глава 1. Микрообработка резанием
Таблица 1.1. Основные характеристики станка Roeders мод. RXP 300
Рабочая зона X×Y×Z, мм 320×300×200
Размеры стола, мм 370×350
Диапазон подач, мм/мин 0...30 000 (все оси)
Мощность главного привода, кВт 3,4
Макс. частота вращения, мин–1 50 000
Хвостовик инструмента HSK-E25 по DIN 69893-5
Макс. диаметр инструмента, мм 6,0
Для получения открытой микропрофильной поверхности штампов
и прессформ, состоящий из упорядоченного множества углублений и
канавок различного типа применяют метод многопроходного микро-
строгания. Преимуществами этого метода перед профильным микро-
фрезерованием являются: а) автоматизированная микро- и чистовая
обработка резцами со специальной геометрией; б) высокая точность
(до ±25 нм) формы и расположения поверхностей, в том числе ячеи-
стых структур; в) более высокая производительность; г) возможность
воспроизведения сочетаний линий плотностью свыше 33 линий
на 1 мм.
Высокая точность микрострогания определяется тем, что обрабаты-
ваемую поверхность формируют режущие кромки резца, положение ко-
торых относительно заготовки определяется программированием ЧПУ.
1.2.2. Металлорежущие станки для комплексной обработки
Комплексная токарная обработки, внецентренная обработка отверстий
и фрезерование малоразмерных деталей осуществляется токарными
прутковыми автоматами с ЧПУ. Эти станки отличает высокая точность
позиционирования инструмента с шагом до 0,001 мм и высокая произ-
водительность обработки за счет автоматизации подачи прутка, смены
и подвода инструмента. В них предусмотрена 2-шпиндельная система
автоматического перехвата детали для обработки деталей сложного
профиля за один установ. Имеются автоматизированные системы по-
дачи СОЖ и обслуживания технологического процесса (стружечный
конвейер, конвейер сбора и перемещения готовых деталей в нако-
питель).
В основном применяются малогабаритные прецизионные станки
«швейцарского типа» (Swiss type). Пример такого станка Hanwha XD20H
фирмы Hanwha TechM (Республика Корея) приведен на рис. 1.5.
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 19
На рис. 1.6 показана компоновка инструментальной зоны этого стан-
ка, а на рис. 1.7 представлена схема его главного суппорта.
X1: 62 мм
X2: 306 мм (XD20)
Z2: 210 мм (XD20)
Y1: 340 мм
Z1: 210 мм
20 Глава 1. Микрообработка резанием
1.2.3. Оборудование для наноразмерной обработки
Для точения изделий оптики из хрупких материалов в режиме квази-
пластичного резания [1] и достижения параметра шероховатости по-
верхности не более 1 нм и отклонения плоскостности не более 10 нм
разработано оборудование для наноразмерной обработки.
Обработка деталей из хрупких материалов (оптических стекол, гер-
мания, кристаллов KDP) произвольной формы выполняется специаль-
ным алмазным монокристаллическим резцом с радиусом при вершине
инструмента 0,1…2 мм и радиусом округления режущей кромки менее
0,8 мкм [2].
Необходимо соблюдать такие режимы, чтобы толщина срезаемой
стружки была в пределах 10…100 нм, а глубина резания оставалась
в пределах от нескольких нм до 2 мкм при скорости подачи порядка
10–20 мм/мин.
X1: 62 мм
Z1: 210 мм
Z2: 210 мм
Y1: 340 мм
X2: 306 мм
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 21
Для решения этих задач в конструкции станка для наноразмерной
обработки использованы: а) аэростатические направляющие и опоры
с пористым дросселированием и вакуумным натягом; б) системы вибро-
изоляции с собственной частотой колебаний не более 5 Гц; в) электро-
приводы прямого действия на базе встроенных безвибрационных
двигателей без деталей из металлов, содержащих железо в комплекте
с датчиками обратной связи нанометрового разрешения [3].
Изготовлен экспериментальный стенд для обработки алмазным моно-
кристаллическим инструментом поверхностей произвольной формы
деталей из хрупких оптических материалов в режиме квазипластичного
резания (рис. 1.8).
6 2 1 5 4 3
Рис. 1.8. Основные узлы стенда для квазипластичного алмазного то-
чения: 1 – шпиндель заготовки; 2 – вертикальный суппорт;
3 – инструментальный шпиндель; 4 – поворотный стол ин-
струментального шпинделя; 5 – поперечный суппорт; 6 – про-
дольный суппорт
Методом квазипластичного резания с использованием алмазного кру-
га можно получить оптическую поверхность практически любой формы
при отсутствии поврежденного слоя. Вариант конструкции станка для
осуществления такого метода показан на рис. 1.9.
22 Глава 1. Микрообработка резанием
1.2.4. Технологическая оснастка
Технологии обработки микродеталей с допусками в наноразмерном
диапазоне невозможны без измерений наноперемещений. Для этого
разработаны средств линейных перемещений в наноразмерном диа-
пазоне с погрешностью менее 1 нм, а также созданы методы и средства
их поверки и калибровки.
Основным узлом измерения наноперемещений является датчик ли-
нейного перемещения, используемый для точного позиционирования
инструмента при изготовлении микродеталей и контроле их качества.
На рис. 1.10 показан пример применения датчиков наноперемещений
для измерения положения 3-координатного стола c нанометровой по-
грешностью.
Бесконтактные датчики-измерители относительного линейного пере-
мещения с пороговой чувствительностью 0,05 нм позволяют следить за
положением объекта, двигающегося со скоростью подачи до 60 мм/мин.
Датчик автоматически отслеживает проекцию кратчайшего рассто-
яния от центра приемника до плоскости зеркала на ось измерительного
луча и передает информацию об относительном перемещении по запросу
с персонального компьютера (ПК) с помощью интерфейса USB. Диа-
пазон измеряемых перемещений может достигать 1 метра.
Рис. 1.9. Вариант исполнения станка для обработки алмазным кругом
поверхностей произвольной формы деталей оптики
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 23
Практическим примером интерферометрического измерителя на-
ноперемещений является устройство, разработанное АО «Научно-ис-
следовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума»
(АО НИЦПВ, г. Москва), предназначенное как для измерения линейных
перемещений в реальном масштабе времени, так и для калибровки си-
стем сканирования и позиционирования. Диапазон измерений пере-
мещений составляет от 1 нм до 10 мм с дискретностью отсчета 0,1 нм.
Абсолютная погрешность измерений лежит в диапазоне 0,5…3 нм при
максимальном значении скорости перемещения 3 мм/с.
В устройстве использованы метод лазерной интерферометрии и
средства измерений величины разности фаз – угла фазового сдвига
в интерференционном поле между измерительным и опорным пучками,
обусловленные частотной, пространственной или поляризационной
дисперсией излучения в фазовом объекте.
Для обеспечения максимальной чувствительности и быстродействия
применена схема измерений на основе лазерного интерферометра
с частотой измерительного сигнала в радиодиапазоне. Это позволяет
измерять фазовые сдвиги на уровне 10–3 градуса фазы на длине волны
λ = 0,6328 мкм, что эквивалентно линейному смещению ~0,1 нм.
Оптическая схема измерений реализована на основе двухлучевой
интерференции с использованием модифицированного интерферометра.
24 Глава 1. Микрообработка резанием
В качестве делительной пластины использованы два последовательно
установленных акустооптических модулятора. Они выполняют функ-
ции как управляемых делителей входного оптического излучения, так
и модулирующих элементов.
Устройство измерения наноразмерных перемещений обеспечивает
измерения линейных перемещений в диапазоне от 1 нм до 10 мм с дис-
кретностью отсчета 0,1 нм. Структурная схема устройства приведена на
рис. 1.11.
Измеритель наноперемещений содержит одночастотный стаби-
лизированный Не-Ne-лазер, оптически связанный последовательно
с акустооптическими модуляторами. Электрические входы модуляторов
через калибратор фазы подключены к генераторным блокам 8 и 9, осу-
ществляющим модуляцию высокочастотным сигналом непрерывного
лазерного излучения, проходящего через акустооптические модуляторы.
Выход акустооптического модулятора 2 оптически связан с интерферо-
метром, который обеспечивает совмещение интерферирующих световых
пучков в плоскости фоточувствительного слоя фотоприемника, на вы-
ходе которого выделяется электрический сигнал разностной частоты.
В измерительном канале интерферометра установлен бесконтактный
датчик наноперемещений, управляемый от функционального генерато-
ра. Генераторный блок связан электрически с помощью системы фазовой
автоподстройки частоты с опорным входом высокоточного цифрового
следящего фазометра, другой измерительный вход которого подключен
к фотоприемному устройству для выделения информационного сигнала.
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 25
Выход фазометра сопряжен с компьютером для последующей об-
работки результатов измерений. Базовое программное обеспечение
позволяет в режиме диалога осуществлять сбор измерительных данных,
их обработку и представление в виде, удобном для пользования.
Наряду с устройствами лазерной интерферометрии-фазометрии,
наноперемещения можно измерять и другими средствами, например
вихретоковыми или емкостными датчиками ООО «Сенсорика-М»
(г. Москва), предназначенными для высокоточного позиционирования
с разрешающей способностью 0,1 нм.
Для установки заготовок на станке для обработки микродеталей без
их деформации используются приспособления, в которых микродетали
независимо от их формы закрепляются без сжимающего напряжения [4].
Для этого заготовки укладываются базовой поверхностью на смоченную
водой пластину, которая охлаждается при помощи газового детандера
(теплообменника) до температуры –30 °C. Лед удерживает эти маленькие
заготовки так, что могут быть обработаны даже поверхности с размерами
до 0,25 мм. Для сокращения времени переналадки применяют устройства
автоматической смены инструмента (рис. 1.12).
26 Глава 1. Микрообработка резанием
Для изготовления микроэлектродов электроэрозионной обработки
роботизированный 5-координатный обрабатывающий центр (ОЦ) ос-
нащен роботом-манипулятором, который обеспечивает автоматическую
смену заготовки. В ОЦ интегрирована измерительная головка, которая
производит автоматическое измерение и контроль размеров конструк-
тивных элементов (рис. 1.13).
Для предотвращения столкновений в ходе сложных движений с по-
мощью функций, интегрированных в систему управления роботом,
просчитываются траектории его руки относительно микродетали для
корректировки их координат относительно траекторий движения узлов
ОЦ в реальном времени. В случае угрозы столкновения система управ-
ления роботом останавливает процесс обработки [5].
Схваты роботов, предназначенные для манипуляций с микродеталя-
ми в рабочей зоне с внешним диаметром менее 30 мм и высотой 10 мм,
состоят из миниатюрных унифицированных модулей, включающих
сменные губки, модули точного позиционирования и тестовых контакты.
Модули, по мере необходимости, автоматически заменяются при пере-
ходе на другое микроизделие (рис. 1.14).
Унификация позволяет отказаться от разработки специальных ре-
шений для каждой конкретной задачи микрообработки. Это позволяет
за очень короткое время создавать с помощью стандартной программы
схваты из взаимно совместимых узлов.
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 27
Например, захватно-поворотный схват представляет собой комби-
нацию модуля вращения с пневматическим параллельным захватом. Он
объединяет две функции – «захват» и «вращение», и, таким образом, обе-
спечивает комбинированное переме-
щение в минимальном пространстве.
Параллельные захваты, используемые
в модуле, обеспечивают усилие зажи-
ма от 15 до 33 Н.
Для вращения используется модуль
высотой 25,5 мм и массой 26 г, который
работает с помощью реечной передачи
и имеет регулируемый во всем диапа-
зоне угол поворота. Заданные угловые
положения контролируются индук-
тивными датчиками в любой точке.
Со стороны робота схваты при-
соединяются без дополнительных
переходных пластин и напрямую
снабжаются сжатым воздухом через
два соединения. Общий вид схвата,
собранного из унифицированных
узлов, показан на рис. 1.15.
Миниатюризация изделий позволяет повысить количество интегриро-
ванных функций, надежность, функциональность, удобство изделий,
снизить их вес и стоимость, а также понизить потребление энергии и
ресурсов в процессе производства и эксплуатации. К таким изделиям
можно отнести: медицинские приборы и импланты, изделия для авто-
и авиастроения, оптической промышленности, коммуникационных
технологий, бытовую электронику и средства связи. В связи с этим
актуальными тенденциями являются изготовление микроизделий и
функциональных поверхностей, имеющих сложную структуру.
К микрообработке относятся способы изготовления, технологии,
оборудование, организационные стратегии и системы для производства
микродеталей (рис. 1) или изделий, которые имеют обрабатываемые по-
верхности с размерами в субмиллиметровом диапазоне (рис. 2).
Введение 9
Одновременно с уменьшением типоразмеров средств связи и управ-
ления возросла сложность изготовления этой техники, что потребовало
освоения наноразмерной технологии.
Чтобы удовлетворить всевозрастающую потребность в микрокомпо-
нентах и микродеталях и при этом сохранить производственные расходы
на низком уровне, такие детали изготавливаются, помимо микрорезания,
самыми современными методами, такими как высокоточные прессова-
ние и штамповка, электроэрозионная и лазерная обработка, аддитивные
технологии, литье под давлением и т.п.
Тем не менее микрорезание, под которым понимают обработку
с удалением слоя материала деталей со сложной геометрией в диапазоне
размеров от 0,05 до 16 мм с помощью режущего инструмента, лидирует
по экологичности и остается наиболее употребимым в серийном и еди-
ничном производстве.
Однако простой переход из области обычного резания в область
микрорезания даже при хорошем владении технологическими процес-
сами невозможен. Для этого необходимо в комплексе рассматривать
следующие факторы: проектирование в среде CAD/CAM, перспектив-
ные направления в создании микротехники, возможности металлоре-
жущих станков и их оснастки, факторы и условия обработки, материалы
заготовок, параметры режущего инструмента и устройств для их уста-
новки.
Из-за большого числа оборотов, требуемых для осуществления
микрорезания, в особенности решающим фактором для надежности
процесса резания и качества обработки является исполнение шпинде-
ля и точность концентрического вращения. Например, возможности
металлорежуших станков и их оснастки работать с частотой вращения
инструмента 10 тыс. мин–1 неприемлемы для фрезы диаметром 0,1 мм,
так как скорость резания около 3,2 м/мин будет слишком мала.
В то же время использование высокоскоростных шпинделей, дающих
до 200 тыс. мин–1, требует высочайшей точности изготовления. Ведь из-за
возникновения радиального биения не только радикально снижается ка-
чество обрабатываемой поверхности, но и стойкость микроинструмента
из-за высоких температурных колебаний или вибраций.
В борьбе за высокую надежность значительно расширились возмож-
ности микрорезания при помощи современных технологий нанесения
покрытий, особенно применительно к толщине и составу покрытий.
Системы покрытий, разработанные под конкретные задачи, делают
возможным увеличение стойкости инструмента и объема снимаемой
стружки, получение наилучшего качества обработки и оптимизирован-
10 Введение
ного технологического процесса. Одной из сложных задач, встающих
перед поставщиками технологий нанесения покрытий, является на-
несение как можно более тонкого, но в то же время твердого и гладкого
покрытия с хорошей адгезией.
Наряду с этим проблематичным остается округление режущих кромок
и повышенная шероховатость поверхности после нанесения покрытия
вплоть до образования капель.
Для микрорезания чаще всего используются покрытия, базирующи-
еся на нитриде титана алюминия (TiAlN), карбонитриде титана (TiCN)
или карбонитриде титана алюминия (TiAlCN). Для обработки таких
материалов, как медь, латунь, мельхиор или алюминиевые сплавы,
применяются покрытия на основе нитрида хрома циркония (ZrCrN),
которые чаще всего наносятся как многослойные покрытия.
Новые системы покрытий на основе нитрида кремния (SiN), особенно
для обработки закаленных и высоколегированных сталей, состоят из
нанокомпозитов с высоким содержанием нитритов. Эти композитные
покрытия состоят из нанокристаллических зерен, которые встроены
в аморфную матрицу.
Компоненты покрытия при этом не смешиваются, а интегрированы
в качестве связки в матрицу из нитрида кремния (Si3N4). Эти покрытия
имеют предельную нанотвердость и очень высокую вязкость, а также
хорошую адгезию к субстрату инструмента за счет низких внутренних
напряжений в покрытии.
Твердосплавный инструмент с алмазным покрытием (тонкая CVD-
пленка) уже имеет хорошую репутацию в макрорезании, и этот опыт
переносится на процесс микрорезания и успешно там используется.
Комбинация новых покрытий после тщательной предварительной об-
работки делает инструмент с алмазным покрытием экономически вы-
годным для микрообработки.
Из-за широкой области применения микрорезания существенно
возросли требования к инструменту и его разнообразию. При помощи
оптимизации старых и создания новых моделей производители пре-
цизионного микроинструмента значительно расширили возможности
микрорезания. Изготовители микродеталей имеют в распоряжении
микроинструмент с широкой номенклатурой исполнений с различной
геометрией режущих частей.
Имеются микрофрезы разнообразных диаметров с различными угла-
ми подъема винтовой линии и специальной геометрией инструмента.
За счет новой геометрии инструмента и режущих кромок они подходят
для изготовления глубоких канавок и сложных профилей в твердых
Введение 11
материалах, так как снижаются вибрации и возрастает динамическая
стабильность при фрезеровании с большим вылетом.
В сфере обработки отверстий поставляются микросверла и микрораз-
вертки, которые применяются для изготовления форсунок. Ассортимент
пополняется сверлами для глубокого сверления и многофункциональ-
ными микроинструментами для устранения заусенцев, центрования и
зенкерования, то есть почти для всех областей применения в микро-
резании.
Микрообработка давно вышла из лабораторий научно-исследова-
тельских институтов. Если на первых порах под микрорезанием под-
разумевалось преимущественно фрезерование, то теперь, благодаря
инновационному оборудованию с ЧПУ, оборудованию для физико-хи-
мической обработки и наноразмерным средствам контроля, микроре-
зание расширило свои возможности вплоть до комплексной обработки
самых сложных деталей за одну установку.
В предлагаемом учебном пособии представлены основные элементы
производства микродеталей машиностроительного производства, меди-
цинской техники, радиотехники и электроники, оптических приборов
и режущего микроинструмента. Дано описание основных видов обо-
рудования и унифицированных инструментов для обработки резанием
заготовок микродеталей из основных применяемых конструкционных
материалов.
Приведены сведения о режущем и вспомогательном инструменте и
методах диагностирования состояния технологических процессов ми-
крообработки. Дано представление о современных способах повышения
надежности режущего инструмента путем нанесения антифрикционных
покрытий на микроинструмент.
Современное состояние аддитивных технологий, применяемых в про-
изводстве микродеталей, включая виды прототипирования, особенности
порошковых материалов и способы их спекания и литья под давлением,
также отражены в данном учебном пособии.
Особое внимание уделено средствам контроля качества изготовлен-
ных микродеталей и состояния их поверхностей в нанометровом диа-
пазоне размеров. Дано представление об особенностях поверки таких
средств контроля и измерений.
Учебное пособие предназначено для будущих инженеров, обучаю-
щихся по направлению подготовки 15.05.01 «Проектирование технологи-
ческих машин и комплексов» и будущих магистров науки и технологий,
обучающихся по направлению подготовки 15.04.02 «Технологические
машины и оборудование».
1.1. Особенности технологии микрообработки
резанием
В настоящее время изготовление сложных по профилю миниатюрных
изделий и обработка поверхностей малой площади являются серьезной
проблемой для различных отраслей оборонного и гражданского ма-
шиностроения. К таким изделиям относятся пресс-формы и штампы
для изготовления деталей микрокомпонентов управляющих устройств,
литьевые формы для изготовления пластмассовых микродеталей
сложной геометрии, электроды для электроэрозионной обработки
миниатюрных протезов и микроинструментов для малоинвазивной
хирургии и др.
Под микрообработкой резанием далее понимается обработка миниа-
тюрных изделий и обработка сложных по профилю поверхностей малой
площади на крупных деталях (рис. 1.1).
1.1. Особенности технологии микрообработки резанием 13
К миниатюрным изделиям будем также относить необходимый для
микрообработки режущий инструмент, имеющий диаметр менее одного
миллиметра, и соответствующие приспособления, входящие в инстру-
ментальные системы для микрообработки.
Для изготовления миниатюрных изделий широко применяются
сверление и фрезерование малоразмерным инструментом. Эти процес-
сы характеризуются повышенной сложностью, так как происходят при
переменных факторах в каждый момент времени рабочего хода. Пропуск
отказа при обработке малоразмерными сверлами и концевыми фрезами
очень часто приводит к их поломке.
Отказы инструмента при микрообработке резанием, как правило,
полные, то есть требующие немедленного прекращения резания, и
неполные (возможно кратковременное резание). Это обусловлено
очень малым различием между силой резания и соответствующим кру-
тящим моментом, необходимыми для преодоления сил сопротивления
резанию, и силами, определяющими начало разрушения тела инстру-
мента.
Поэтому для надежности микрообработки резанием в условиях
автоматизированного производства необходимо создание и внедрение
в технологическое оборудование систем диагностирования состояния
режущего инструмента и контроля процесса резания.
Диагностирование состояния режущего инструмента в процессе ре-
зания осуществляется в результате сравнения действительного значения
параметра или параметров процесса резания с предельно допустимым
значением, устанавливаемым субъектом управления.
С целью обеспечения более высокой надежности процесса обра-
ботки путем диагностирования состояния режущего инструмента по
косвенному диагностическому признаку необходимо назначать режимы
резания, дающие большую вероятность безотказной работы режущего
инструмента.
Повышение универсальности инструмента предусматривает его рабо-
ту на разных глубинах резания и подачах, а также возможность «смены
ролей» главной и вспомогательной режущих кромок, что усложняет
структуру отказов за счет появления повреждения и затем отказов раз-
личной локализации.
Поэтому установление косвенных диагностических параметров,
в наибольшей степени взаимосвязанных с критерием отказа или яв-
ляющихся наиболее чувствительными к его изменению, в микрообра-
ботке резанием является крайне сложной, практически неразрешимой
задачей.
14 Глава 1. Микрообработка резанием
Поэтому чаще используют метод непосредственного наблюдения за
положением малоразмерных сверл и концевых фрез в рабочем простран-
стве. При этом контролю подвергаются не только размеры детали, но и
позиция вершины инструмента относительно торца шпинделя. Также
под контролем находятся температурные деформации шпинделя станка
с целью компенсировать его тепловое расширение.
Для микрообработки применяются высокоточные станки, которые
обеспечивают точное позиционирование инструмента, а также его мини-
мальное биение. Данные станки снабжают специальными оптическими,
контактными, а также бесконтактными измерительными системами. При
уровне увеличения в 400 раз рабочей зоны при микрофрезеровании и ми-
кросверлении достигается требуемая точность обрабатываемых деталей.
Конструкция инструментальной системы для микрообработки, как
правило, несложная, с небольшим числом деталей, но содержит высоко-
точные и сложнопрофильные соединения. В связи с этим инструмент
приобретает дополнительные «слабые» места, которые в процессе экс-
плуатации получают повреждения, приводящие к отказам.
Экономичность инструментальной системы для микрообработки
резанием и полнота использования всех ее ресурсов часто определяется
широтой сферы ее применения. Применительно к малоразмерному ре-
жущему инструменту это, в первую очередь, предполагает использование
инструментального материала, отвечающего группе критериев, таких
как износостойкость, вязкая прочность, хрупкая контактная прочность
и хрупкая объемная прочность.
При высокоточной микрообработке используются специальные
устройства для зажима инструмента, имеющие монолитное, враща-
тельно-симметричное строение, обеспечивает длительный срок службы
шпинделя станка. Например, термический зажим хвостовика инстру-
мента обеспечивает концентричность менее 0,003 мм при частоте вра-
щения шпинделя до 60 000 мин–1, что наилучшим образом подходит
для достижения необходимой скорости микрорезания.
Другой особенностью микрообработки является то, что при установке
и транспортировке необходимо исключить вмешательство человека.
Для этих целей разрабатывают специальную манипуляционную технику
для перемещения микроинструментов и миниатюрных деталей, вклю-
чающую микроскопы и многокоординатных роботов. В конструкциях
роботов используют манипуляторы с механическим и гидравлическим
приводами, а также пьезоманипуляторы.
Наиболее простыми являются механические микроманипуляторы
с точностью позиционирования 0,1–5 мкм, построенные на базе высо-
1.1. Особенности технологии микрообработки резанием 15
коточных прецизионных винтов. Более точными являются гидравличе-
ские микроманипуляторы, которые преобразуют механические усилия,
создаваемые в специальном дистанционном управляющем устройстве,
в давление на манипуляторную мембрану. Гидравлика обеспечивает
высокоточные плавно редуцируемые движения манипулятора.
Например, в нанопрецизионном станке мод. МК6510 конструкции
ОАО «Красный Пролетарий» с гидроманипулятором обеспечивается
обработка торцовых поверхностей металлооптики с шероховатостью
Ra 0,0025 мкм и точностью размеров в пределах 0,1 мкм.
Как было указано выше, основными видами миниатюрного инстру-
мента для микрообработки резания являются концевые фрезы и сверла.
Концевая фреза является одним из основных инструментов для микро-
обработки за счет широкой области применения: для обработки пазов,
уступов с взаимно перпендикулярными поверхностями, для контурной
обработки заготовок и др.
Учитывая особенности процесса микрообработки, к фрезам предъяв-
ляют особые требования, главным из которых является высокая точность
изготовления инструмента. Концевые фрезы для микрообработки в силу
их конструктивных особенностей и условий резания изготавливаются
монолитными заодно с цилиндрическим хвостовиком, реже – в виде
коронок и вставок, соединяемых пайкой со стальным хвостовиком. Для
повышения точности микрообработки и экономии дорогостоящего об-
рабатываемого материала фрезы имеют упрощенную форму стружечных
канавок.
Для изготовления малоразмерных концевых фрез и сверл диаме-
тром 0,12…3,0 мм с общей длиной 30–140 мм и длиной рабочей части
0,35–22 мм для микрообработки резанием используется метод ско-
ростной вышлифовки профиля канавок и зубьев алмазными кругами
на металлической связке на шлифовально-заточных 5-координатных
станках с ЧПУ.
Совокупность и правильность перемещений при многопроходном
шлифовании обеспечивает получение заданной формы винтовой
поверхности канавки изготавливаемого режущего инструмента, а
также заданные геометрические параметры режущей части инстру-
мента.
Для повышения точности изготовления микроинструмента применя-
ют специальные комбинированные измерительные системы, состоящие
из оптики и микрощупа, способные осуществлять позиционирование
в нанодиапазоне и измерение с точностью 50 нм.
16 Глава 1. Микрообработка резанием
1.2. Оборудование для микрообработки
резанием
1.2.1. Металлорежущие станки для фрезерования
Эти станки оснащаются электрошпинделями на воздушных подшипниках
с верхним пределом частоты вращения 120 000 мин–1 со скоростями подач
от 2,5 мм/мин, точностью и повторяемостью позиционирования в пределах
±1 мкм с помощью стеклянных шкал, имеющих разрешение 0,1 мкм по
всем осям. Для охлаждения инструмента применяется туман на основе рас-
тительного масла, который обеспечивает также смазку и удаление стружки.
Минимальный размер обрабатываемой детали определяется приспособле-
нием, установленным на столе и применяемым режущим инструментом.
Конструкции многих обрабатывающих центров (ОЦ), предназначен-
ных для микрофрезерования, обеспечивают автоматизацию процесса из-
готовления детали, а также контроль вибраций с представлением уровня
колебаний на мониторе системы ЧПУ. Как правило, в качестве опций
предлагается термостабилизация и стол, приспособленный для фиксации
спутников и многопозиционный накопитель спутников в стандартном
исполнении. Модифицированная портальная конструкция обеспечивает
фронтальный доступ к зоне обработки и смену спутников сзади. Вместо
устройства смены спутников может использоваться робот (рис. 1.2).
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 17
В ряде конструкций ОЦ имеется встроенный лазер для точечной
сварки и профильной резки плоских микродеталей типа зубчатых колес
(рис. 1.3).
Наиболее массовые станки для микрообработки оснащены шпин-
делями с максимальной частотой вращения 50 000 мин–1 с главным
приводом мощностью порядка 3–4 кВт и имеют управление по 3 осям
с линейными электроприводами. Максимальное значение скорости
подачи по осям – 60 м/мин. Пример такого станка показан на рис. 1.4,
а его характеристики приведены в табл. 1.1.
18 Глава 1. Микрообработка резанием
Таблица 1.1. Основные характеристики станка Roeders мод. RXP 300
Рабочая зона X×Y×Z, мм 320×300×200
Размеры стола, мм 370×350
Диапазон подач, мм/мин 0...30 000 (все оси)
Мощность главного привода, кВт 3,4
Макс. частота вращения, мин–1 50 000
Хвостовик инструмента HSK-E25 по DIN 69893-5
Макс. диаметр инструмента, мм 6,0
Для получения открытой микропрофильной поверхности штампов
и прессформ, состоящий из упорядоченного множества углублений и
канавок различного типа применяют метод многопроходного микро-
строгания. Преимуществами этого метода перед профильным микро-
фрезерованием являются: а) автоматизированная микро- и чистовая
обработка резцами со специальной геометрией; б) высокая точность
(до ±25 нм) формы и расположения поверхностей, в том числе ячеи-
стых структур; в) более высокая производительность; г) возможность
воспроизведения сочетаний линий плотностью свыше 33 линий
на 1 мм.
Высокая точность микрострогания определяется тем, что обрабаты-
ваемую поверхность формируют режущие кромки резца, положение ко-
торых относительно заготовки определяется программированием ЧПУ.
1.2.2. Металлорежущие станки для комплексной обработки
Комплексная токарная обработки, внецентренная обработка отверстий
и фрезерование малоразмерных деталей осуществляется токарными
прутковыми автоматами с ЧПУ. Эти станки отличает высокая точность
позиционирования инструмента с шагом до 0,001 мм и высокая произ-
водительность обработки за счет автоматизации подачи прутка, смены
и подвода инструмента. В них предусмотрена 2-шпиндельная система
автоматического перехвата детали для обработки деталей сложного
профиля за один установ. Имеются автоматизированные системы по-
дачи СОЖ и обслуживания технологического процесса (стружечный
конвейер, конвейер сбора и перемещения готовых деталей в нако-
питель).
В основном применяются малогабаритные прецизионные станки
«швейцарского типа» (Swiss type). Пример такого станка Hanwha XD20H
фирмы Hanwha TechM (Республика Корея) приведен на рис. 1.5.
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 19
На рис. 1.6 показана компоновка инструментальной зоны этого стан-
ка, а на рис. 1.7 представлена схема его главного суппорта.
X1: 62 мм
X2: 306 мм (XD20)
Z2: 210 мм (XD20)
Y1: 340 мм
Z1: 210 мм
20 Глава 1. Микрообработка резанием
1.2.3. Оборудование для наноразмерной обработки
Для точения изделий оптики из хрупких материалов в режиме квази-
пластичного резания [1] и достижения параметра шероховатости по-
верхности не более 1 нм и отклонения плоскостности не более 10 нм
разработано оборудование для наноразмерной обработки.
Обработка деталей из хрупких материалов (оптических стекол, гер-
мания, кристаллов KDP) произвольной формы выполняется специаль-
ным алмазным монокристаллическим резцом с радиусом при вершине
инструмента 0,1…2 мм и радиусом округления режущей кромки менее
0,8 мкм [2].
Необходимо соблюдать такие режимы, чтобы толщина срезаемой
стружки была в пределах 10…100 нм, а глубина резания оставалась
в пределах от нескольких нм до 2 мкм при скорости подачи порядка
10–20 мм/мин.
X1: 62 мм
Z1: 210 мм
Z2: 210 мм
Y1: 340 мм
X2: 306 мм
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 21
Для решения этих задач в конструкции станка для наноразмерной
обработки использованы: а) аэростатические направляющие и опоры
с пористым дросселированием и вакуумным натягом; б) системы вибро-
изоляции с собственной частотой колебаний не более 5 Гц; в) электро-
приводы прямого действия на базе встроенных безвибрационных
двигателей без деталей из металлов, содержащих железо в комплекте
с датчиками обратной связи нанометрового разрешения [3].
Изготовлен экспериментальный стенд для обработки алмазным моно-
кристаллическим инструментом поверхностей произвольной формы
деталей из хрупких оптических материалов в режиме квазипластичного
резания (рис. 1.8).
6 2 1 5 4 3
Рис. 1.8. Основные узлы стенда для квазипластичного алмазного то-
чения: 1 – шпиндель заготовки; 2 – вертикальный суппорт;
3 – инструментальный шпиндель; 4 – поворотный стол ин-
струментального шпинделя; 5 – поперечный суппорт; 6 – про-
дольный суппорт
Методом квазипластичного резания с использованием алмазного кру-
га можно получить оптическую поверхность практически любой формы
при отсутствии поврежденного слоя. Вариант конструкции станка для
осуществления такого метода показан на рис. 1.9.
22 Глава 1. Микрообработка резанием
1.2.4. Технологическая оснастка
Технологии обработки микродеталей с допусками в наноразмерном
диапазоне невозможны без измерений наноперемещений. Для этого
разработаны средств линейных перемещений в наноразмерном диа-
пазоне с погрешностью менее 1 нм, а также созданы методы и средства
их поверки и калибровки.
Основным узлом измерения наноперемещений является датчик ли-
нейного перемещения, используемый для точного позиционирования
инструмента при изготовлении микродеталей и контроле их качества.
На рис. 1.10 показан пример применения датчиков наноперемещений
для измерения положения 3-координатного стола c нанометровой по-
грешностью.
Бесконтактные датчики-измерители относительного линейного пере-
мещения с пороговой чувствительностью 0,05 нм позволяют следить за
положением объекта, двигающегося со скоростью подачи до 60 мм/мин.
Датчик автоматически отслеживает проекцию кратчайшего рассто-
яния от центра приемника до плоскости зеркала на ось измерительного
луча и передает информацию об относительном перемещении по запросу
с персонального компьютера (ПК) с помощью интерфейса USB. Диа-
пазон измеряемых перемещений может достигать 1 метра.
Рис. 1.9. Вариант исполнения станка для обработки алмазным кругом
поверхностей произвольной формы деталей оптики
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 23
Практическим примером интерферометрического измерителя на-
ноперемещений является устройство, разработанное АО «Научно-ис-
следовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума»
(АО НИЦПВ, г. Москва), предназначенное как для измерения линейных
перемещений в реальном масштабе времени, так и для калибровки си-
стем сканирования и позиционирования. Диапазон измерений пере-
мещений составляет от 1 нм до 10 мм с дискретностью отсчета 0,1 нм.
Абсолютная погрешность измерений лежит в диапазоне 0,5…3 нм при
максимальном значении скорости перемещения 3 мм/с.
В устройстве использованы метод лазерной интерферометрии и
средства измерений величины разности фаз – угла фазового сдвига
в интерференционном поле между измерительным и опорным пучками,
обусловленные частотной, пространственной или поляризационной
дисперсией излучения в фазовом объекте.
Для обеспечения максимальной чувствительности и быстродействия
применена схема измерений на основе лазерного интерферометра
с частотой измерительного сигнала в радиодиапазоне. Это позволяет
измерять фазовые сдвиги на уровне 10–3 градуса фазы на длине волны
λ = 0,6328 мкм, что эквивалентно линейному смещению ~0,1 нм.
Оптическая схема измерений реализована на основе двухлучевой
интерференции с использованием модифицированного интерферометра.
24 Глава 1. Микрообработка резанием
В качестве делительной пластины использованы два последовательно
установленных акустооптических модулятора. Они выполняют функ-
ции как управляемых делителей входного оптического излучения, так
и модулирующих элементов.
Устройство измерения наноразмерных перемещений обеспечивает
измерения линейных перемещений в диапазоне от 1 нм до 10 мм с дис-
кретностью отсчета 0,1 нм. Структурная схема устройства приведена на
рис. 1.11.
Измеритель наноперемещений содержит одночастотный стаби-
лизированный Не-Ne-лазер, оптически связанный последовательно
с акустооптическими модуляторами. Электрические входы модуляторов
через калибратор фазы подключены к генераторным блокам 8 и 9, осу-
ществляющим модуляцию высокочастотным сигналом непрерывного
лазерного излучения, проходящего через акустооптические модуляторы.
Выход акустооптического модулятора 2 оптически связан с интерферо-
метром, который обеспечивает совмещение интерферирующих световых
пучков в плоскости фоточувствительного слоя фотоприемника, на вы-
ходе которого выделяется электрический сигнал разностной частоты.
В измерительном канале интерферометра установлен бесконтактный
датчик наноперемещений, управляемый от функционального генерато-
ра. Генераторный блок связан электрически с помощью системы фазовой
автоподстройки частоты с опорным входом высокоточного цифрового
следящего фазометра, другой измерительный вход которого подключен
к фотоприемному устройству для выделения информационного сигнала.
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 25
Выход фазометра сопряжен с компьютером для последующей об-
работки результатов измерений. Базовое программное обеспечение
позволяет в режиме диалога осуществлять сбор измерительных данных,
их обработку и представление в виде, удобном для пользования.
Наряду с устройствами лазерной интерферометрии-фазометрии,
наноперемещения можно измерять и другими средствами, например
вихретоковыми или емкостными датчиками ООО «Сенсорика-М»
(г. Москва), предназначенными для высокоточного позиционирования
с разрешающей способностью 0,1 нм.
Для установки заготовок на станке для обработки микродеталей без
их деформации используются приспособления, в которых микродетали
независимо от их формы закрепляются без сжимающего напряжения [4].
Для этого заготовки укладываются базовой поверхностью на смоченную
водой пластину, которая охлаждается при помощи газового детандера
(теплообменника) до температуры –30 °C. Лед удерживает эти маленькие
заготовки так, что могут быть обработаны даже поверхности с размерами
до 0,25 мм. Для сокращения времени переналадки применяют устройства
автоматической смены инструмента (рис. 1.12).
26 Глава 1. Микрообработка резанием
Для изготовления микроэлектродов электроэрозионной обработки
роботизированный 5-координатный обрабатывающий центр (ОЦ) ос-
нащен роботом-манипулятором, который обеспечивает автоматическую
смену заготовки. В ОЦ интегрирована измерительная головка, которая
производит автоматическое измерение и контроль размеров конструк-
тивных элементов (рис. 1.13).
Для предотвращения столкновений в ходе сложных движений с по-
мощью функций, интегрированных в систему управления роботом,
просчитываются траектории его руки относительно микродетали для
корректировки их координат относительно траекторий движения узлов
ОЦ в реальном времени. В случае угрозы столкновения система управ-
ления роботом останавливает процесс обработки [5].
Схваты роботов, предназначенные для манипуляций с микродеталя-
ми в рабочей зоне с внешним диаметром менее 30 мм и высотой 10 мм,
состоят из миниатюрных унифицированных модулей, включающих
сменные губки, модули точного позиционирования и тестовых контакты.
Модули, по мере необходимости, автоматически заменяются при пере-
ходе на другое микроизделие (рис. 1.14).
Унификация позволяет отказаться от разработки специальных ре-
шений для каждой конкретной задачи микрообработки. Это позволяет
за очень короткое время создавать с помощью стандартной программы
схваты из взаимно совместимых узлов.
1.2. Оборудование для микрообработки резанием 27
Например, захватно-поворотный схват представляет собой комби-
нацию модуля вращения с пневматическим параллельным захватом. Он
объединяет две функции – «захват» и «вращение», и, таким образом, обе-
спечивает комбинированное переме-
щение в минимальном пространстве.
Параллельные захваты, используемые
в модуле, обеспечивают усилие зажи-
ма от 15 до 33 Н.
Для вращения используется модуль
высотой 25,5 мм и массой 26 г, который
работает с помощью реечной передачи
и имеет регулируемый во всем диапа-
зоне угол поворота. Заданные угловые
положения контролируются индук-
тивными датчиками в любой точке.
Со стороны робота схваты при-
соединяются без дополнительных
переходных пластин и напрямую
снабжаются сжатым воздухом через
два соединения. Общий вид схвата,
собранного из унифицированных
узлов, показан на рис. 1.15.