高精度的微米公差加工

Integral公司長期以來致力于高精度的專業(yè)加工技術(shù)，但這一技術(shù)在過去幾年中有了新的含義。為微流體和光子學(xué)等行業(yè)客戶提供服務(wù)，則推動Toronto地區(qū)這家面積達(dá)6000?in2(1?in=0.0254?m)的機(jī)床廠實(shí)現(xiàn)了以µm為單位來進(jìn)行測量公差的加工工藝。

Integral公司總裁兼創(chuàng)始人Peter Reypa表示Integral進(jìn)入這些市場是經(jīng)濟(jì)衰退后立即進(jìn)行分區(qū)的結(jié)果。Kern Microtechnic的五軸Evo加工中心是2010年安裝的，位置精度為±0.5?µm。這足以在工件上實(shí)現(xiàn)±2?µm的精度。所以該機(jī)床必須被充分發(fā)揮作用，以滿足新客戶工作特征的要求。為此做出的努力包括通過對環(huán)境的控制、認(rèn)真校準(zhǔn)程序、先進(jìn)數(shù)控機(jī)床功能以及新型切削工具、軟件和加工策略來消除最顯而易見的錯(cuò)誤。

此外，獲得µm級加工能力的好處在于擁有了在市場中競爭的機(jī)會。Reypa表示推動Evo需要工作人員提出自己的想法，并且吸取大型機(jī)床廠的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。Reypa說：“結(jié)果是Integral公司已經(jīng)變得更加高效，因此無論要求怎樣，所有客戶都變成我們很好的合作伙伴。”

圖1 這些部件為用于擴(kuò)展光束光纖電纜連接器的插入鍵，其使用透鏡將光線進(jìn)行聚焦，并從一條光纖傳輸?shù)搅硪粭l光纖上。雖然大多數(shù)零件（以及用于相同工作的其他部件）是在瑞士型車床上加工的，但是要求保持精度水平的操作則是在該機(jī)床廠Kern Evo加工中心進(jìn)行的

準(zhǔn)備精度

Reypa表示Integral公司特別受μm級公差吸引，因?yàn)樵诎惭bEvo之前，很多前期準(zhǔn)備工作已經(jīng)就位。該公司機(jī)床廠位于Ontario，成立于1989年，長期以來一直在小型高精度零件加工中占有一席之地，特別是在航空航天和醫(yī)療行業(yè)更是如此。加工資源方面則包括四個(gè)三軸立式加工中心(VMC)以及三臺瑞士型車床。雖然這些機(jī)床都沒有提供Evo的精度，但是對每個(gè)零件的每個(gè)特征而言都不需要該精度級別。實(shí)際上，只有約30%的工作需要進(jìn)行?µm級容差操作，而這些操作通常僅限于幾個(gè)關(guān)鍵特性。因此，11名員工的機(jī)床廠已經(jīng)能夠進(jìn)入新的工作領(lǐng)域。

Reypa表示該加工中心自2010年安裝以來就已經(jīng)證明了其具有的能力。Evo的精度始于C型框架結(jié)構(gòu)，其將主軸固定在Z軸上，并且依賴于工作臺的運(yùn)動，用于所有其他軸行程。他還具有聚合物混凝土基座，根據(jù)Kern的說法，他比許多典型機(jī)床設(shè)計(jì)的鑄鐵或焊接框架更堅(jiān)硬、更耐振動。玻璃秤、滾動軸承、預(yù)應(yīng)力、棱柱形線形導(dǎo)軌則有助于0.1?μm的機(jī)床分辨率。同時(shí)，循環(huán)水將所有部件包括機(jī)軸、主軸、電氣柜和冷卻液箱都保持為20℃的恒定溫度。電氣柜與機(jī)床的其余部分分離，冷卻水的冷卻器也是如此，以防止這些部件所產(chǎn)生的熱量影響精度。

該機(jī)床的主要運(yùn)營商生產(chǎn)經(jīng)理Andrew Sweeting說：“安裝該機(jī)床在很多方面更像是安裝一臺計(jì)量設(shè)備，而非一臺加工設(shè)備。”雖然機(jī)床廠長期將其坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)與其他的操作進(jìn)行了隔離，但是容納新的加工中心需要質(zhì)量控制區(qū)周圍更大的空間。1100?ft2(1?ft2= 929.03?cm2)的機(jī)床廠環(huán)境是需要嚴(yán)格控制的。溫度恒定在20℃，并且用五個(gè)濕度計(jì)來檢測濕度。為防止繼續(xù)使用而蔓延到該結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生偏航、俯仰和其他誤差，Sweeting每月進(jìn)行一次機(jī)床校準(zhǔn)。Integral公司的代表還大約每18個(gè)月訪問一次，以便使用Heidenhain KGM柵格編碼器進(jìn)行更徹底的校準(zhǔn)。

然而，Sweeting強(qiáng)調(diào)：“即使是最精心設(shè)計(jì)，良好的維護(hù)機(jī)床和高度可控的環(huán)境仍然不夠。”在沒有學(xué)習(xí)優(yōu)化特定工作過程的情況下，Integral公司從來不會滿足匹配甚至超過該零件精度的±2?µm。

圖2 微流體工業(yè)研發(fā)應(yīng)用已經(jīng)要求銑削通道，使其具有非常光滑的表面，將其處理成如圖所示的塑料型鈦板。 擺線刀具路徑有助于精確控制徑向切削深度，從而確保一致的切削力，并且能夠完成0.006 in直徑通道的兩側(cè)加工，在單程中實(shí)現(xiàn)0.2μm的表面粗糙度

沒有錯(cuò)誤余地

機(jī)床和環(huán)境固有的誤差控制，則開始于相對簡單的步驟。然而，這不會使其變得多余。一個(gè)例子就是允許機(jī)床在切割開始之前進(jìn)行預(yù)熱。Sweeting說：“預(yù)熱的時(shí)間長短取決于實(shí)操作際，通常為1?h左右，對于高溫材料響應(yīng)良好的工件則需要進(jìn)行整夜處理。”他補(bǔ)充說，“我通常讓他們運(yùn)行到碳化物膨脹，能使最小的工具加熱10?min左右。”為管理振動情況，他有時(shí)候在門的另一側(cè)張貼一個(gè)標(biāo)志，來警告VMC操作員，以避免運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)重型粗加工。Sweeting說：“我們無法容忍其出現(xiàn)任何變化。”

一種用于對不一致性進(jìn)行歸零的策略，包括不從機(jī)床本身開始，而是利用Heidenhain iTNC530數(shù)控機(jī)床的示波器來測量軸偏差。在通常由機(jī)床制造商和分銷商用于軸調(diào)整的情況下，示波器測量電信號，以確定軸編程位置與實(shí)際位置之間的差異。結(jié)果顯示為每根軸的2D波形。

此功能的一個(gè)好處就是縮短故障排除的時(shí)間，例如，如果Y軸運(yùn)動在目標(biāo)上但是X軸不是，那么Sweeting可能得出結(jié)論，編程錯(cuò)誤導(dǎo)致零件一側(cè)留下的材料太多。Sweeting指出：“在1?in立銑刀的情況下，留下超過0.001?in可能沒有什么區(qū)別，但是這是0.004?in立銑刀直徑的25%。”

圖3 Integral Machining公司生產(chǎn)經(jīng)理和Kern Evo公司首席運(yùn)營官Sweeting演示了Heidenhain數(shù)控機(jī)床示波器。該功能通過實(shí)時(shí)顯示每根軸偏離其編程位置的距離幫助診斷錯(cuò)誤源

示波器也被證明對于確定“最佳點(diǎn)”來說，切削參數(shù)是非常有價(jià)值的，這些參數(shù)為各種切削道具提供了最平滑的加工?；舅枷胧谴_保切削刃隨著固有頻率而碰到工件，其中加工中心很容易與該特定工具一起振動。在最近一個(gè)實(shí)例中，制造商建議規(guī)定為48?000?r/min，用直徑為0.006?in(1?in=0.0254?m)的四刃立銑刀來有效切割5級鈦微流體通道，其轉(zhuǎn)速非常接近于Evo的50?000?r/min這一極限值。然而，使用示波器測試不同參數(shù)，顯示該工具在轉(zhuǎn)速為39?000?r/min時(shí)性能更佳，也就是說，Z軸線的主軸速度在整個(gè)切割過程中保持的最為平直。

挑戰(zhàn)極限

除了高級數(shù)控機(jī)床功能和最佳點(diǎn)以外，在非常高的主軸速度下運(yùn)行極小的刀具，使得一些人習(xí)以為常。Sweeting說：“我永遠(yuǎn)不會在我的生活中轉(zhuǎn)動一個(gè)0.006?in的立銑刀，每把這樣的刀具會花費(fèi)50美元，轉(zhuǎn)速非常接近于50?000?r/min，并且在開始的時(shí)候會有點(diǎn)心疼的感覺。”

然而，無論客戶是否要求，在Evo上嘗試的新事物越多，在更大機(jī)床廠中的加工程度也就越大。Reypa說：“我們正在挑戰(zhàn)更多的極限。”例如，先前在不使用硬質(zhì)合金立銑刀的情況下，機(jī)床廠更有可能使用特種刀具。最近的一個(gè)案例涉及到使用0.75?in立銑刀，轉(zhuǎn)速為10?000?r/min，每分鐘銑200?in，對鋁進(jìn)行粗加工，這是為該材料進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的加工方式。Reypa說：“五六年前，我們可能已經(jīng)使用了高速鋼進(jìn)行再磨研，并且慢慢穩(wěn)定下來了。”

這種實(shí)驗(yàn)已經(jīng)導(dǎo)致機(jī)床廠考慮如果沒有購買Evo，可選擇一些特殊性能的特性。以下概述了一些例子，以及由更開放、具有前瞻性的態(tài)度和員工更大意愿，使得自己及其設(shè)備挑戰(zhàn)新的極限。

工具頸部更細(xì)

在微加工中使用的每個(gè)立銑刀幾乎都具有縮小的頸部，也就是說，工具的頸部為實(shí)心圓柱體，而刀鋒和柄部的直徑更小。由于溝槽的橫截面相對更細(xì)更薄，因此這種結(jié)構(gòu)要比在頸部整個(gè)長度延伸的溝槽具有更大的剛性和強(qiáng)度。

Sweeting說：“強(qiáng)度和剛度對于Kern采用的小型立銑刀是至關(guān)重要的，但是更大的機(jī)床廠也會有大量的工作，即要求長度與直徑比的工具會增加破裂和振動的風(fēng)險(xiǎn)。”縮小的頸部還改善了對零件特征的檢修，因?yàn)樗麄儾惶赡芨蓴_切割動作，不管零件尺寸或公差如何。

刀具可變幾何尺寸

微加工的成功也使得機(jī)床廠考慮具有可變的螺旋角、前角以及槽間距的切削刀具。Sweeting說：“在Evo上的應(yīng)用并沒有留下空間，對稱立銑刀會特別脆弱。”相同的切削刃在相同頻率下產(chǎn)生振動，每個(gè)連續(xù)的邊緣彼此產(chǎn)生的振動會撞擊工件?？勺儙缀涡螤畹墓ぞ卟粫艿竭@種影響。刀具上的槽紋數(shù)量也很重要。Sweeting解釋說：“槽紋數(shù)量越多，一個(gè)槽紋在下一個(gè)槽紋進(jìn)入之前就越不可能離開材料，從而產(chǎn)生一個(gè)‘捶擊’作用。”此外，在更多槽紋中擴(kuò)展切割力和切屑產(chǎn)生，通常會導(dǎo)致更小的切屑以及更光滑的表面粗糙度。

Sweeting表示，缺乏具有多個(gè)可變間隔以及有角度槽紋的工具，機(jī)床廠可能不會那樣加工零件。用于擴(kuò)展光束光纖電纜連接器的這些插件，使用綠色透鏡將光線進(jìn)行聚焦，并從一條光纖傳輸?shù)搅硪粭l光纖上。將保持透鏡和光纖的孔進(jìn)行精加工成N4級(0.2?µm)的表面粗糙度，涉及到使用直徑2?mm、長10?mm的三凹面立銑刀，以螺旋運(yùn)動形式切削成僅為100?µm的材料。在更大機(jī)床廠中的工作并非那么苛刻，但是機(jī)床廠經(jīng)常利用這些刀具來提高適當(dāng)操作的性能。

相同工具多個(gè)功能

與光纖連接器插件有關(guān)的挑戰(zhàn)，最困難的一個(gè)就是確保埋頭孔中的透鏡能夠很好地排列。更具體地說，問題是確保直徑為2.5?mm的鉆孔和直徑為3?mm的沉孔之間的同心度。在螺旋形刀具路徑的情況下，可以用同一立銑刀來加工沉頭孔和鉆孔。這種方法使得鏡頭保持足夠直，以保持光損失在規(guī)范范圍以內(nèi)(不超過1.5?dB)。

徑向跳動、溫度、磨損以及影響切割的其他因素可能隨著不同工具而變化，盡管精心安裝在刀架上，但是對于刀具更換機(jī)構(gòu)的要求而言，Sweeting解釋了該方法的成功情況。雖然對Evo上的操作具有特別影響，但同樣的原則適用于任何規(guī)模。

新工具路徑

使用多個(gè)功能的同一工具將不會很好地發(fā)揮作用，沒有最大限度地延長工具名，并且Sweeting表示使用3D系統(tǒng)Cimatron CAM軟件受益匪淺。最初購買時(shí)用是來替換系統(tǒng)，其不能在Evo上進(jìn)行操作而提供足夠的分辨率或3D能力，該CAM軟件便于使用更平滑的道具路徑，從而更好地控制切削力。一個(gè)實(shí)例就是擺線銑削，用于諸如微流體測試板零件所用的槽銑削方法。以環(huán)形、花紋圖案來進(jìn)給工具，能夠準(zhǔn)確地控制徑向切割深度，當(dāng)目標(biāo)是采用同一切割器來銑削整個(gè)槽時(shí)，則需要特別關(guān)注。在表面粗糙度達(dá)到0.2?µm時(shí)，更換工具在那項(xiàng)工作上就會有風(fēng)險(xiǎn)。Sweeting補(bǔ)充說：“這也可能會降低效率。”

雖然更大機(jī)床廠內(nèi)使用擺線銑削的情況非常罕見，但是已經(jīng)應(yīng)用同樣的原理來提高刀具壽命和生產(chǎn)率。例如，Sweeting堅(jiān)信軟件中刀具路徑引擎的Volumill，用于生成刀具路徑，通過避免方向或刀具接合的急劇變化，將刀具和主軸上的負(fù)載保持在程序限制范圍內(nèi)。

圖4 仔細(xì)觀察光纖連接器插頭，光纖包含在直徑為2.5 mm孔中緊密配合的陶瓷套管或套圈中，其在連接端具有3 mm的沉孔，以容納該透鏡

一致的機(jī)床運(yùn)動

確保特定圖案的適當(dāng)定位，對于要求Evo的工作而言可能特別困難。例如，光纖連接器插頭上的孔位置必須保持在±1.5?µm范圍內(nèi)。在這種情況下，Kern所用的程序總是指示機(jī)床在鉆出每個(gè)孔之后返回到中心位置上，而非依次從一個(gè)孔移動到另一個(gè)孔上。該方法確保了X軸和Y軸向每個(gè)孔的來回移動，并且通過擴(kuò)展、加速、減速、斷開距離、間隙等，盡可能地保持一致。Sweeting說：“雖然對于不需要Evo精度的工件通常并不需要這種方法，但是當(dāng)特征位置很關(guān)鍵時(shí)，這種方法總是令人放心，特別是當(dāng)多個(gè)工具發(fā)生變化或者其他因素增加變化的可能性時(shí)更是如此。”

更廣泛進(jìn)化

通過機(jī)床廠加工操作的組合添加超精密零件，促進(jìn)技術(shù)和工藝變化。Reypa表示，例如先前CMM并不足以進(jìn)行µm級耐受性工作。如今機(jī)床廠使用了卡爾蔡司工業(yè)計(jì)量公司的O-Inspect多傳感器系統(tǒng)(光學(xué)觸摸探頭)。與Evo的情況一樣，在該臺機(jī)床進(jìn)行測量所遇到的艱難工作則促使了在質(zhì)量控制方面的全面改進(jìn)。

例如，加工直徑為2.5?mm的立方氧化鋯的環(huán)形量規(guī)，需要購買可加工小孔上µm級公差的機(jī)床。用較大偽影校準(zhǔn)機(jī)床，不足以確保測量的一致性。該應(yīng)用程序用于校準(zhǔn)偽像，則因盡可能與被測量特征的幾何形狀和尺寸相匹配，已經(jīng)應(yīng)用于更大機(jī)床廠的多個(gè)工作中。 “如果我們需要使用卡規(guī)來檢查鉆孔到幾十分之一的精度，則可能會得到一個(gè)精確到小數(shù)點(diǎn)后五位的特殊環(huán)規(guī)，然后我們知道我們是無法精確到的。”Reypa說。