В мире производства все стремятся к уменьшению размеров. От микрожидкостных каналов, используемых в биомедицинских исследованиях, до микроскопических шестеренок внутри высокотехнологичных механических часов — спрос на сверхточные микрокомпоненты стремительно растет. Заманчиво думать, что микрообработка — это просто традиционная обработка на станках с ЧПУ, уменьшенная в масштабе. Просто использовать фрезу меньшего диаметра, вращать шпиндель быстрее и уменьшить скорость подачи, верно? К сожалению, физика не масштабируется линейно. По мере уменьшения глубины резания до микрометрового уровня, фундаментальные механизмы удаления металла полностью меняются. Добро пожаловать в странный и беспощадный мир физики микрорезки, где все определяется явлением, известным как эффект размера. Что такое эффект размера в обработке? В традиционной макрообработке энергия, необходимая для удаления определенного объема материала (известная как удельная энергия резания), остается относительно постоянной, независимо от глубины резания. Однако при микрообработке, по мере уменьшения глубины резания (в частности, толщины неповрежденной стружки) до масштаба микрометров, удельная энергия резания резко и экспоненциально возрастает. Это нелинейное увеличение энергии, необходимой для удаления материала в микроскопических масштабах, известно как размерный эффект.
Виновник: радиус режущей кромки Почему инструмент начинает «вспахивать» материал? Все дело в остроте инструмента. В традиционной обработке концевая фреза, срезающая материал на глубину 2 мм, считается математически «острой». Даже если микроскопическая кромка инструмента слегка закруглена, этот радиус пренебрежимо мал по сравнению с огромной глубиной резания. Однако при микрорезке глубина резания может составлять 5 микрометров, а самый острый алмазный или твердосплавный инструмент, который мы можем изготовить, может иметь радиус кромки от 2 до 3 микрометров. Внезапно инструмент перестает быть острым ножом; он превращается в тупой, закругленный таран. Явление минимальной толщины стружки Поскольку кромка закруглена относительно резания, мы сталкиваемся с минимальной толщиной стружки. Это абсолютная критическая глубина, при которой инструмент фактически врезается в материал и образует стружку. В зависимости от соотношения толщины неповрежденной стружки и минимальной толщины стружки, микрорезка подразделяется на три различных режима: Упругое трение: Инструмент совершает настолько неглубокий проход, что не разрушает поверхность. Он просто скользит по металлу, вызывая упругую деформацию. Материал сжимается и сразу же отскакивает обратно после прохода инструмента. Стружка не образуется, но генерируется огромное трение и тепло. Вспахивание: Инструмент начинает вдавливать материал. Он пластически деформирует металл, вспахивая его в стороны (образуя тяжелые заусенцы) и вдавливая вниз, но все еще с трудом срезает чистую стружку. Удельная энергия резания достигает пика здесь. Срезное резание: Наконец, глубина резания преодолевает затупление радиуса кромки. Материал срезается, стружка поднимается по поверхности инструмента, и возобновляется традиционная механика обработки. Полезный совет: Как правило, в микрофизике минимальная толщина стружки составляет от 20% до 40% радиуса режущей кромки инструмента, в зависимости от предела текучести материала и трения на границе раздела инструмента и инструмента. Реальность микроструктуры: резка отдельных зерен Эффект размера касается не только геометрии инструмента, но и самого материала. При обработке большого стального блока металл рассматривается как изотропный (однородный) материал. Инструмент одновременно прорезает миллионы микроскопических зерен, поэтому силы резания усредняются, образуя плавную, предсказуемую нагрузку. В микрообработке глубина резания часто меньше размера отдельного кристаллического зерна металла. Вместо того чтобы резать однородный блок, микроинструмент внезапно сталкивается с отдельными, отчетливыми зернами феррита, затем погружается в более твердое зерно перлита, а затем прорезает границу зерен. Теперь материал анизотропен. Это вызывает резкие, высокочастотные колебания сил резания, которые могут привести к микровибрациям, внезапному поломке инструмента и непредсказуемому качеству поверхности. Краткое содержание: Макро- и микрообработка Для успешной оптимизации процесса микрообработки инженеры должны отказаться от традиционных правил. Характеристики Традиционная обработка Микрообработка
Предположения о материале Однородный и изотропный Неоднородный и анизотропный (зависит от зерна)
Края инструмента Предполагается идеально острая Обрабатывается как затупленная/закругленная (сильное воздействие на резание)
Преобладающее действие Срез (образование стружки) Вспахивание и трение при низких скоростях подачи
Удельная энергия Относительно постоянна Увеличивается экспоненциально по мере уменьшения глубины резания Управление эффектом масштаба — это истинное искусство микропроизводства. Это требует тонкого баланса: необходимо подавать инструмент достаточно сильно, чтобы превысить допустимую нагрузку и фактически разрезать металл, но достаточно мягко, чтобы хрупкий, тончайший микроинструмент не сломался под огромными усилиями. Для получения дополнительной информации посетите разделы «Обработанные детали» и «О нас».