Мелкие инструменты ведут себя не так, как крупные. Один из исследователей объясняет причины.
Даже вычислений в цехе достаточно, чтобы выяснить, почему очень мелкие режущие инструменты еще не в состоянии достигнуть таких же показателей производительности, каких достигают режущие инструменты нормального размера. Отчасти препятствие заключается в использовании шпинделя. Для режущего инструмента с диаметром 0.05 мм, чтобы достигнуть скорости резания 100 футов/мин., скорость шпинделя должна составлять почти 200 000 оборотов в минуту.
Если диаметр меньше или скорость резания выше, то требуется еще более высокая скорость шпинделя. Некоторые центры механизированной обработки имеют в качестве опции даже такую высокую скорость шпинделя. На самом деле, скорость шпинделя станка, намного превышающая 200 000 об./мин. достигалась только в рамках исследования.
Теперь об износе. Для станка нормальных размеров поддержание совокупного износа инструмента на уровне не более 10 процентов диаметра инструмента – это, возможно, стандарт с запасом. Но если применять даже этот нестрогий стандарт к чему-то наподобие 0.01-милиметрового режущего инструмента, это означает, что максимально допустимый совокупный износ составляет не более 1 микрона.
Как вариант, износ инструмента иногда приводится к 10 процентам толщины стружки. Если бы фрезерный инструмент микроскопических размеров, намного больший, чем показанный, вырабатывал стружку толщиной 0.005 мм, то соответствующий износ равнялся бы 0.5 микронов. Учитывая потенциальное наложение погрешностей шпинделя, держателя инструмента и самого инструмента, поддерживать значение общего износа в этом диапазоне – 1 микрон или 0.5 микрон – в лучшем случае непрактично.
Среди организаций, пытающихся преодолеть такого рода ограничения, различные учреждения и малые предприятия, занятые в микрообработке и располагающиеся в пределах "Eigerlab", производственного бизнес-инкубатора в Рокфорде, Иллинойс. В Северном Университете Иллинойса есть сотрудники, которые исследуют микрообработку и работают на этом предприятии, а также здесь расположена штаб-квартира станкостроительной компании.
Г-н Сингх говорит, что описанные выше ограничения – низкая скорость шпинделя и относительно высокий износ – это две реалии, с которыми в настоящее время нужно считаться в микрообработке.
Есть и другие аспекты, например, по его словам, один из них связан с качеством и однородностью материала.
Качество материала и размер стружки
Г-н Сингх говорит, что режущий инструмент нормального размера, т.е. инструмент с диаметром 12.7 мм или даже 6.35 мм настолько велик по сравнению с микроскопическими изменениями в материале заготовки, что его можно сравнить с лопатой. Каждое лезвие выскабливает стружку, в которой есть твердые участки и мягкие участки, так же, как лопата выкапывает и маленькие камни и грязь. Общая твердость по всей стружке имеет тенденцию быть сбалансированной, поэтому нагрузка на инструмент равномерна.
Однако, когда речь идет о более мелкой стружке, размер которой близок к размеру включений в материал, то возможность изменений от реза к резу возрастает. Лезвие может пройти из более твердого металла в мягкое включение, что приводит к сотрясению, которое может повлиять на срок годности инструмента.
В связи с этим предполагаемый срок службы инструмента в микрообработке подразумевает высокое качество материала заготовки. Неоднородность приводит к рискам, если толщина стружки очень мала. В самом деле, г-н Сингх говорит, что различные риски из-за малой толщины стружки показывают, почему соблюдение достаточно большого размера стружки является важным требованием в микрообработке.
Тактика при стирании
Может показаться парадоксальным, что режущий инструмент, настолько тонкий, что его можно согнуть пальцами, не смог бы хорошо работать, если бы толщина стружки не была относительно большой. Однако, требование к минимальной толщине стружки – один из случаев, когда режущий инструмент миниатюрных размеров работает точно так же, как инструмент нормального размера.
Причина этого требования связана с радиусом режущей кромки. При обработке в обычных масштабах в мастерских очень хорошо знают, какой будет резка, когда радиус кромки больше надреза, так как пример этого можно увидеть при обработке изношенным инструментом. Когда из-за изнашивания инструмента увеличивается радиус кромки, звук резки изменяется, и обработка заготовки становится менее качественной. Затупленный инструмент перестает срезать материал и вместо этого начинает бороздить или мазать по нему.
Очень маленький инструмент подвержен тому же эффекту, даже когда инструмент "острый". Причина в том, что радиус кромки мелкого инструмента довольно большой по отношению к его ширине. Слишком маленькая толщина стружки сопровождается тем, что надрез слишком мал для кромки, чтобы она оставалась "острой" по отношению к этой стружке, таким образом материал удаляется стиранием, а не срезанием.
Но соблюдать эту минимальную толщину при фрезеровочных работах довольно трудно. Когда ход инструмента изменяет направление – что часто случается при фрезеровке – скорость загрузки замедляется. Но шпиндель вращается с фиксированной скоростью, в то время как скорость загрузки замедляется. Поэтому, толщина стружки уменьшается и в конечном счете инструмент входит в режим стирания.
Этого нельзя избежать во фрезеровочных работах, поскольку нельзя обеспечить постоянную скорость подачи. Однако, г-н Сингх говорит, что этот эффект можно контролировать таким образом, что его воздействие на процесс будет небольшим. Тестирование показало, что оптимальный срок службы инструмента может все еще обеспечивать, пока соблюдается минимальная толщина стружки для более, чем двух вращений шпинделя во время ускорения и замедления.
Очевидно, что это происходит очень быстро. За это время станок должен успеть поменять направление. Чем быстрее работает шпиндель, тем быстрее должны происходить ускорение и замедление. Инструменту размером 0.25 мм работающему на скорости 180 000 об./мин., потребовалось бы ускорение, равное 5G, говорит он. Это - намного больше того ускорения, которое, скорее всего, сможет обеспечить стандартный станок.
Это условие указывает на еще одно техническое ограничение, которое имеет место в микрообработке. Это то, что инструменты станка ускоряются недостаточно быстро, чтобы на полную использовать скорость шпинделя. Учитывая эту нехватку ускорения, достаточно быстрый для инструмента шпиндель, вероятно, повредил бы инструмент, и, допуская слишком маленькую толщину стружки в слишком большом количестве надрезов, способствовал бы отказу инструмента.
Таким образом, в некотором смысле, это хорошо, что скорость шпинделя ограничена. Пока ускорение ограничено, скорость шпинделя также должна ограничиваться. Установка скорости шпинделя ниже, чем требует размер инструмента, означает, что интервал между двумя вращениями длится дольше, что позволяет эффективно использовать станки с показателями ускорения, не достигающими упомянутого выше значения 5 G.
Возможна ли вообще эффективная микрообработка?
Ничто из вышеизложенного не означает, что микрообработка не может выполняться эффективно. На самом деле, может. Станки с высокой скоростью шпинделя, ускорением, стабильностью и точностью могут эффективно использовать мелкие инструменты.
Вышеизложенное означает, говорит г-н Сингх, что такая же относительная производительность, как на станках с нормальными масштабами, или точное воспроизведение при микрообработке нормальной обработки, только с меньшими размерами, - всё это в настоящее время недостижимо.
В результате, микрообработка – это нечто фундаментально отличное от станочной обработки в обычных масштабах. Где-то между режущими инструментами обычных масштабов и мельчайшими режущими инструментами находится порог, за которыми представления о том, что является приемлемыми показателями, должны измениться. Здесь следует еще раз проанализировать процесс осознания этих разных уровней приемлемости показателей. Фактически, они должны быть изучены методом проб и ошибок в рамках каждого отдельного процесса или области, где используется микрообработка.
