微加工概述


微铣削和微车削


  • 微铣削基础

  • 回顾一下德州农工大学(WayneHung)最近的微加工演示的一部分

  • 回顾南加州大学DohenyEyeInst做的微加工演示的幻灯片。

  • 哈斯办公室工厂的概述

  • 型车削基础

  • 哈斯办公室车床概述


微铣削基础


  • 微小与介子与纳米（比较）

  • 微制造-参考文献。国际辅助研发(WTEC)

  • 行业/应用

  • 机器的选择-审查办公室的机器

  • 编程-一些更新的策略

  • 切削工具-有多种选择

  • 零件的工作固定和固定件-实例

  • 查看和测量成品零件

  • 小端磨机（0.014”）在316SS，200ipm视频


精密微加工


行业及应用：

  • 医疗：复杂生产部件或第二操作。

  • 牙科：牙科实验室，扫描>CAD>CAM>牙齿

  • 相关的电子产品：钻孔、铣削、PCB等。

  • 快速原型设计：模型，模具，所有材料

  • 雕刻，微加工，电极

  • 珠宝：生产，模具，研发，蜡制成

  • 教育背景：学校和大学


一级市场=普通客户，生产小的精密零件和/或使用非常小的工具（由于30-40,000+转速主轴，显著减少了周期时间和更好的完成）


微加工基础知识


微加工：包括直径.125至004英寸的切割工具/钻孔


介子加工：直径从0.003”至0.000039”（1微米）


纳米：没有芯片制造技术存在，因为10亿分之一米（或0.001微米）对我们来说太小了！1微米（µ）=1,000纳米(nm)或0.0001英寸=2,540nm


微机加工-表面英尺/最小值，材料去除率，润滑情况


由于小直径端磨和钻头（.125英寸）1/8英寸，低于（.0.0625英寸）1/16英寸（1.58mm）

  • 切割明矾的例子。-SFM为500(152m/分钟)，使用。0625”(1.5mm)端磨机需要~33,000rpm

  • 就像上面这样的1毫米直径的例子。（刚好超过1/32英寸）在明矾中需要大约48000转/分钟。


  • 较小的体积或研发项目可能会得到不适当的转速，但生产和/或更多的奇异的材料需要精确的SFM，DOC/WOC，润滑，以达到良好的完成面和可接受的工具寿命。


本申微量润滑

  • “Nano”来自于希腊语中的“小矮人”。在公制系统中，它被用来指“十亿分之一米”——一纳米（纳米）是十亿分之一米。换句话说，这大约是人类头发宽度的十分之一五万。普通的办公纸大约有10万纳米厚。纳米技术人员通常会在1-100纳米的范围内工作。

    壁虎可以爬上玻璃，甚至可以倒挂着。它脚上的毛（铲子）很小，它们可以利用一些力量把分子拉在一起，把壁虎粘在天花板上。纳米技术可以制造出内衬类似壁虎的合成毛发的胶带，这样也可以做同样的工作。


    本申微量润滑

  • 纳米技术涉及在原子和分子规模上设计的材料和工作设备。纳米技术的进步将影响电子和计算、医药、化妆品、食品、军事、各行各业的能源。到2020年，价值1万亿美元的产品可以以某种方式进行纳米工程

    视频CMM设备的示例

    OPTEKVideoMICVSA系列


    本申微量润滑

  • VSA系统有一个全空气轴承运输

  • VSA系统在X轴和Y轴上使用真正的、平衡的“直线电机”

  • VSA系统在所有三个轴上都使用了1/10微米分辨率的线性尺度

  • VSA系统要快得多，速度可达每秒30英寸

  • VSA系统要精确得多（视为亚微米，整个舞台为3-4微米）

  • VSA系统的可重复性更强（通常为2-3微米）

  • VSA系统要安静得多（大多数情况下，你只能听到电脑上的风扇的声音）


微制造应用：医疗、电子、航空航天、机床、汽车、石油等。


问题：

  • 需要合格的工程师来进行设计和制造

  • 需要集成和多功能的系统

  • 需要测试、制造的标准

  • 需要多功能系统

  • 需要有效的教育项目

  • 需要新的理论来模拟微/纳米系统


介绍：微系统

本申微量润滑

微机加工：316/316L不锈钢


CompositionTensile strengthMPa (Ksi) Yield strengthMPa (Ksi) Elongation (%)
316 annealed 0.08C 17Cr 12Ni, 2.5Mo 515 (75) 205 (30)35 
316L annealed 0.03C 17Cr 12Ni, 2.5Mo 480 (70) 170 (25)35 

应用

  • 食品制备设备

  • 药品设备

  • 海洋应用

  • 医用植入物

  • 炼油厂设备

  •  涡轮机

  • 电子设备


目标

  • 寻找微机加工的必要条件，

  • 研究了316L不锈钢的微铣削，

  • 确定工具故障模式，和

  • 将研究结果与已发表的文献进行比较。


微加工：关注事项


  • 超高温合金和不锈钢是在宏观尺度上“难以加工”的材料。如何在微观层面上加工这些产品？

  • 机床：必要条件吗？

  • 切削液：类型、用途？

  • 测试：标准、程序、理论吗？

  • 机械加工参数：宏观和微观？

  • 微型工具：可用性、几何形状、偏移量、磨损/芯片/断裂、材料、涂层与未涂层？


理论3：累计刀具磨损情况


  • 刀具磨损主要是切割速度，切削力受进料和切割尺寸的影响。

  • 传统的使用泰勒方程以恒定的切割速度进行测试可能是很耗时的。

  • 在实践中，刀具机在不同的切割条件下，直到达到失效标准。

  • 累积刀具磨损模型为刀具提供了“等效”的速度和刀具寿命


微机加工：机床要求


  • 主轴跳动：< 5% of tool diameter

  • 主轴转速：>6krpm

  • 可重复性：<为零件公差的10%

  • #轴：≥3为复杂的三维形状

  • 刚性：


本申微量润滑

本申微量润滑


微加工：刀具偏转


主轴跳动、堆积边缘、不受控制的芯片和/或切割力使微型工具周期性偏转，并导致工具过早故障。


图14。铣削时弯曲应力的有限元分析

本申微量润滑

端部偏转度为=，刀具直径为17%

弯曲应力=50%刀具强度


本申微量润滑

端部偏转度为=，刀具直径为34%

弯曲应力=100%刀具强度


微加工：结果


微铣削316L不锈钢与WC工具：

  1. 刀具失效模式：切割、磨损和磨料磨损。

  2. 累积磨损模型适用于没有刀具切削/分层的宏观/微观加工。

  3. 宏观加工参数（速度、进料、深度等）不能用于微加工。

  4. 由于建造边缘、刀具切削和磨损，不建议进行干式加工。

  5. 微磨削过程中形成的过多毛刺会导致工具断裂，并需要后续的去毛刺操作（Bissano等，2005；Lee等，2002）

  6. 大量和适当应用的MQL提高了可加工性，但不足的MQL促进了建立边缘和过早的工具失效。

  • MQL在钢的微粒填充中的特定设置减少了毛刺的形成，提供了洪水冷却的类似结果(Rahman等人，2001年)。

  • MQL在Ti6Al4V的微铣削中显著提高了刀具寿命(~8x)，并减少了切割力(Sunetal，2006)。

  • 在稳态流量下，本研究中2210EP微雾确实湿了刀具/工件，显著提高了刀具寿命。


总结


  • 累积刀具磨损模型可应用于微加工。

  • 激光被推荐用于微工具偏移，并量化工具/主轴跳动。

  • 刀具挠度（>为刀具直径的17%）的应力超过刀具强度的50%，并导致刀具疲劳或断裂。

  • 使用低表面能量流体的最佳微雾(MQL)擦拭工具/工件，显著提高工具寿命。


建议


  1. 微加工中铣削和高切削力可能(i)切割易碎的微刀具边缘，或(ii)分层刀具涂层。需要进一步对微铣削技术、刀具涂层、刀具材料和刀具几何形状进行研究。

  2. 将该研究扩展到Ø<100µm（0.004英寸）和Inconel高温合金的铣刀。

  3. 应该进行详细的研究，以找到最佳的MQL设置


节选自南加州大学多赫尼眼学院。微机加工介绍

规划


  • 一些CAD/CAM为微加工应用开发工具路径

  •  软程序设计-反映固定装置

  • 高速工具路径：低切屑负载、 多程

  • 高进给工具路径：更大的切屑负载、用切屑去除热量

  • 锥铣：直线代替不变半径的“曲线”圆形移动


材料


  • 任何可以用12mm端磨机进行加工的东西都可以用0.12mm端磨机（0.0047”）进行加工

  • 高达62RC金属，玻璃，陶瓷

  • 塑料、复合材料、木材


本申微量润滑

例如，在工具钢与NSK主轴运行50,000rpm


案例1，蝴蝶


  • 如何制造一只比生命还小的蝴蝶：薄翼、触角

  • 固定装置：两侧设置、三维形状