Mikrofrézování jemných tvarů a struktur ve výrobě forem

V našem 21. století se jako klíčová technologie jeví výroba mikrosystémů, která se uplatňuje ve všech výrobních oborech. Nezadržitelný trend zmenšování výrobků a spotřebního zboží vyžaduje vývoj nových a zdokonalování stávajících metod výroby mikrosoučástí. Pro výrobu těchto součástí se používají především technologie tváření ve formách. Pro výrobu reliéfů a tvarů do tepelně zpracovaných forem se obvykle používá elektroerozivní obrábění (EDM), laser a mikrofrézování.

Srovnání uvedených metod

Technologie EDM umožňuje vyrábět součásti přesně, s dobrou jakostí obrobeného povrchu. Technologie EDM je však použitelná pouze pro výrobky z elektricky vodivých materiálů. Výhodou obrábění laserem je oproti mikrofrézování a elektroerozivnímu obrábění především možnost obrábět miniaturní tvary a obrysy (dáno pouze stopou paprsku). Mikrofrézování má proti oběma předešlým výhodu zejména ve vyšší geometrické rozmanitostí obráběných tvarů, vyšším úběru materiálu a lepší jakostí obrobené plochy. Ve srovnání s EDM není nutné vyrábět elektrodu, což zkracuje výrobní časy. Nevýhodou mikrofrézování je malá spolehlivost procesu obrábění v důsledku opotřebení břitu nástroje a nebezpečí jeho zlomení, neboť se používají nástroje velmi malých průměrů.

Minimalizace fréz běžného konstrukčního provedení přináší problémy

Při výrobě forem pro tlakové lití a především pro objemové tváření je nutné použít nástrojové oceli odolné proti opotřebení. Používají se tepelně zušlechtěné oceli určené pro práci za tepla nebo za studena. Pro zkrácení výrobního času a pro dodržení požadavků na rozměrovou a tvarovou přesnost je nutné opracovávat formy v kaleném stavu, což klade vysoké nároky zejména na nástroje malých průměrů, kde se požaduje při obrábění malé opotřebení břitu a odolnost nástroje proti odtlačení od obráběného povrchu.

Mikrofrézování se jeví jako vhodná technologie pro výrobu jemných tvarů a struktur pro součásti z oceli. Při pouhé miniaturizaci stávajících konstrukcí fréz však vznikají četné problémy a nelze dosáhnout optimálních výsledků obrábění. Při zmenšování průměru nástroje je například nutné uvažovat vliv zaoblení ostří, tloušťku odebírané třísky a zejména snižující se tuhost nástroje. Výsledek obrábění je ovlivněn kromě použitého stroje, typu nástroje a materiálu obrobku, také především pracovními podmínkami obrábění, tj. řeznou rychlostí, posuvem a hloubkou řezu. V tomto článku je rozebrán vliv dvou podstatných aspektů ovlivňujících výrobu forem s jemnými tvary a strukturami: optimalizace parametrů obrábění a odtlačování nástroje od obráběného povrchu.

Při výrobě jemných tvarů je vždy nutné použít nástroje malých průměrů (d < 1 mm). Při výrobě takto malých nástrojů není vždy možné vyrobit ostré břity. U povlakovaných nástrojů je nezávisle na průměru nástroje vždy poloměr ostří 2 až 6 μm. Aby se zabránilo neúměrnému zatížení břitu, je zejména u nástrojů velmi malých průměrů (d < 0,5 mm) doporučováno použít malou tloušťku třísky, pouze o málo větší, než je poloměr ostří. Při velkém poměru poloměru ostří r_β k tloušťce třísky h dochází k efektu, kdy část materiálu není břitem odřezávána, ale je plasticky deformována mezi hřbetem nástroje a obráběným materiálem. Proto se značně zvětšuje opotřebení břitu nástroje a zhoršuje se kvalita obrobené plochy.

Odstranění nutnosti výměny nástroje během obrábění

V rámci výzkumného úkolu zaměřeného na výrobu jemných tvarů a struktur ve formách je vyvíjena nová technologie jejich opracování. Zadání úkolu vychází z požadavku vyrábět formy z nástrojových ocelí a ocelí určených pro práci za studena, které jsou tepelně zušlechtěny na tvrdost > 60 HRC. Aby se dosáhlo co nejvyšší přesnosti výroby a jakosti obrobené plochy, je nutné pracovat během obrábění formy bez výměny nástroje. Výměna nástroje vždy způsobí na obráběné ploše zřetelnou stopu po záběru nového nástroje a současně může dojít ke zhoršení přesnosti výroby. Odtud plyne požadavek na vysokou trvanlivost břitu nástroje. V dále popisovaných výzkumech bylo řešeno obrábění rychlořezné oceli HS6-5-2C, tvrdosti 63 HRC. Experimenty byly prováděny nástroji o průměru d = 1 mm. Porovnávány byly nejprve různé typy frézovacích nástrojů, různé způsoby chlazení, obrábění za sucha a s minimálním přívodem chladicí kapaliny (MMKS). U každého typu nástroje byl zkoumán vliv různých pracovních podmínek na opotřebení břitu nástroje, velikost řezné síly a na výslednou jakost obrobené plochy.

Na obr. 1 jsou znázorněny průměrné maximální řezné síly a maximální velikost opotřebení na vedlejším břitu po obrobení zkoušenými nástroji dráhy 1,5 mm. Jako nástroje byly použity standardní nástroj (typ I), dva nástroje, které výrobci doporučují pro obrábění kalených materiálů (typ II a III). Výsledky řešení ukazují, že nejmenší řezné síly i opotřebení vykazuje nástroj typ III, proto je tento nástroj při použitých řezných podmínkách nejlepší pro obrábění rychlořezné oceli. Podle očekávání se ukázalo, že chlazení minimálním množstvím chladicí kapaliny dává lepší výsledky z hlediska velikosti řezné síly a opotřebení břitu nástroje než obrábění za sucha. Pro výzkum optimálních řezných podmínek byl použit nástroj typ I, při chlazení MMKS. Řezné podmínky byly měněny v rozsahu: posuv na zub  f_z  a hloubka řezu  a_p  od 0,04 do 0,055 mm, šířka záběru  a_e  mezi 0,2 a 0,4 mm a řezná rychlost  v_c  mezi 110 až 190 m.min^-1. Počet zkoušek byl stanoven metodou statistického plánování a následným modelováním.

Na obr. 2 jsou uvedeny příklady průběhu řezné síly a opotřebení břitu nástroje v závislosti na hloubce řezu a řezné rychlosti. Větší hloubka řezu vede ke zvětšení průřezu třísky a tím i ke zvětšení řezné síly i opotřebení břitu. Řezná rychlost má pouze malý vliv na velikost řezné síly i na opotřebení břitu nástroje, vyšší řezná rychlost vede pouze k nepatrnému zvětšení řezné síly i opotřebení břitu. Základním cílem prováděných výzkumů bylo stanovení optimálních řezných podmínek, které zajistí vysoký výkon obrábění při malém opotřebení břitu nástroje. Výkon obrábění byl stanoven výpočtem z hloubky řezu, šířky záběru a frézované délky. Na obr. 3 je ukázána závislost výkonu obrábění na řezné síle a opotřebení břitu nástroje při různých šířkách záběru. Je zřejmé, že při větší šířce záběru lze dosáhnout větší výkon obrábění při ostatních zhruba stejných řezných podmínkách. Toto lze aplikovat tam, kde lze šířku záběru libovolně volit.

Na obr. 4 jsou ukázány dva břity nástrojů po obrobení délky 1,5 mm. Vzhledem k opotřebení břitu nástroje se ukazuje, že kombinací řezných podmínek: v_c = 150 m.min^-1, f_z = 0,04 mm, a_p = 0,025 mm a  a_e = 0,6 mm se dosáhne vhodného průběhu opotřebení břitu nástroje.  Avšak při zvýšení hloubky řezu na a_p = 0,055 mm se opotřebení břitu nástroje značně zvýší.

Při frézování nástrojem malého průměru dochází k odtlačování nástroje od obráběné plochy. Při obrábění tvrdých nebo kalených materiálů, které se používají ve výrobě forem, je s ohledem na velikosti řezných sil toto odtlačování větší. Požadované vysoké přesnosti vyráběných malých a jemných tvarů si vyžadují odstranění nebo alespoň zmenšení tohoto odtlačení (tj. deformace polohy nástroje).

Odtlačení nástroje nelze sledovat pouze při statickém působení zatěžující síly, protože při frézování se jedná o přerušované obrábění a nástroj je tedy namáhán dynamicky. Při porovnání výsledků statického a dynamického zatížení se projeví určité rozdíly. Při popisovaných zkouškách však bylo při charakterizování odchýlení nástroje pro zjednodušení použito vyhodnocování ze statického zatížení nástroje.

Výzkum odtlačení nástroje při frézování

Výzkum odtlačení nástroje byl proveden na jednoduše měřitelném tvaru. Místo nástroje byla použita tyčka šířky 1 mm a výšky 0,5 mm. Toto umožňuje provést měření na rastrovacím elektronovém mikroskopu (REM). V určité oblasti tyčky byly elektroerozivním obráběním vytvořeny drážky a následně byly provedeny příčné výbrusy, které se měřily na REM. Aby se určil vliv průměru nástroje na jeho odtlačení, byly provedeny pokusy obrábění s nástroji o průměru d = 0,2; 0,4 a 1 mm, při stejných řezných podmínkách. Na obr. 5 je uvedena velikost odtlačení nástroje od požadované polohy v závislosti na jeho průměru. Provedený výzkum ukázal, že průměr nástroje je důležitým faktorem z hlediska přesnosti obrábění.

Zmenšení odtlačení nástroje daného průměru lze dosáhnout několika způsoby. Jedním z nich je snížení řezných podmínek a tím zmenšení působící řezné síly. V řadě případů však nelze řezné podmínky měnit (opotřebení nástroje, výkon obrábění apod.). Zmenšení velikosti řezných sil lze dosáhnout také volbou vhodné strategie frézování.

Zmenšení velikosti odtlačení nástroje lze dosáhnout také korekcí dráhy nástroje, kde korekce vzniklé odtlačení eliminuje. Tak sice dojde k odtlačení nástroje, tj. k jeho odchýlení od požadované polohy, ale tato nepřesnost je korekcí plně nebo alespoň částečně odstraněna. Pro dosažení požadovaných rozměrů a jakosti povrchu je v tomto případě nutné použít dokončovací obrábění.

Poloha nástroje snižuje jeho zatížení

Snížení odtlačení nástroje je možné dosáhnout také volbou vhodné polohy nástroje vzhledem k obráběné ploše. Při nastavení technologicky vhodného úhlu se sníží řezné síly a tedy také hodnota odtlačení nástroje. Při pětiosém obrábění je možné použít i kratší nástroje, čímž se odtlačení nástroje také podstatně zmenší.

Na obr. 6 jsou ukázány tři různé strategie obrábění. Ve srovnání s výchozím stavem (obr. 5) se ukazuje, že jak korekce dráhy nástroje, tak také obrábění s vhodně polohovaným nástrojem snižují odtlačení nástroje a tím i nepřesnosti od požadovaného tvaru. Frézování nesousledné dává značně horší výsledky než frézování sousledné.

Z výsledků experimentů je zřejmé, že pro úspěšné obrábění jemných tvarů a struktur v tepelně zušlechtěných formách (tvrdé obrábění) je důležité řešit optimální pracovní parametry, opotřebení břitu nástroje a také odtlačování nástroje od obráběné plochy. První výsledky optimalizace řezných podmínek vedly ke snížení opotřebení břitu nástroje a tím ke zlepšení bezpečnosti obrábění. Cílem dalšího výzkumu je proto dále optimalizovat řezné podmínky, zajistit spolehlivost mikrofrézování těchto vysoce tvrdých materiálů a minimalizovat opotřebení břitu nástroje. Výzkum je dále zaměřen na nástroje o průměru menším než d = 0,2 mm, na stanovení vlivu řezných podmínek na jakost obrobené plochy a zjištění optimální polohy nástroje k obráběné ploše.

Dirk Biermann a Philip Kahnis

Zdroj: MM Maschinenmarkt, č. 5/2010

Zpracoval -VŘ-

dana.benesova@mmspektrum.com