Skulptūros mikronų skalėje: kaip 5 ašių CNC ir mikro elektros iškrovos apdirbimas veikia kartu, kad įveiktų endoskopo galinio dangtelio gamybos ribas

Gaminant endoskopo galinį dangtelį, sudėtingos geometrijos ir mikrometro{0}}lygio tolerancijos reikalavimai, nurodyti projektavimo plane, tradicinius gamybos metodus išstūmė į ribas. Kai reikėjo pritaikyti kvadratinius CMOS jutiklius, kelis pluošto ryšulius ir netaisyklingus skysčio kanalus, kurių sienelės storis siekė 0,05 milimetro, vieno apdorojimo metodo nebepakako. Šiuolaikinė tiksli gamyba pateikia atsakymą: 5-ašių CNC mikro-frezavimo ir mikro-elektrinio išlydžio apdirbimo (Micro{10}}EDM) procesų integravimas. Tai nėra paprastas procedūrų sudėjimas, o tikslus ir koordinuotas mūšis mikrometro skalėje, pagrįstas papildomais medžiagų pašalinimo principais. Šiame straipsnyje bus nuodugniai išanalizuota, kaip šios dvi pažangiausios technologijos parodo savo stipriąsias puses ir sklandžiai susijungia, paversdamos tvirtą metalinį ruošinį į sudėtingą-struktūrizuotą, tikslios-dydžio ir nepriekaištingo paviršiaus miniatiūrinį funkcinį laikiklį.
I. Vizualus gamybos iššūkių vaizdavimas: kodėl tradiciniai procesai žlugo kaip kolektyvas?
Prieš gilinantis į technines detales, būtina aiškiai apibrėžti nuotolinio būsto gamybos iššūkius, nes šie iššūkiai yra tradicinių apdorojimo būdų riba:
„Neįmanoma“ geometrinė forma: Šiuolaikiniai endoskopai siekia aukščiausio lygio funkcinio tankio. Distalinio korpuso skerspjūvis gali būti asimetriškas „šveicariškas sūris“, kuriame yra D- formos jutiklio ertmės, keli apskriti arba elipsiniai kanalai ir maži grioveliai, skirti laidams. Šių ypatybių erdvinis ryšys reikalauja itin didelio padėties tikslumo (±5 μm).
„Smūgio-ir-liečiama-lūžta“ plonasienių struktūra: kad visos funkcijos atitiktų minimalų išorinį skersmenį (pvz., Ø2,0 mm), metalinės „pertvaros“ tarp gretimų kanalų turi būti plonos kaip cikados sparnai (0,05–0,1 mm). Tai plonesnis nei įprastas kopijavimo popierius. Dėl bet kokios nedidelės pjovimo jėgos ar suspaudimo įtempis jis gali deformuotis arba sulūžti.
Vidiniai reikalavimai „absoliučiam stačiam kampui“: vaizdo jutiklio montavimo paviršius turi būti visiškai plokščias, o montavimo ertmės kampai turi būti tobuli stačiai (aštrūs vidiniai kampai). Dėl bet kokių suapvalintų kampų jutiklis pasvirs ir vaizdas bus iškraipytas. Tradiciniai frezavimo rutuliniai pjaustytuvai arba galiniai frezai neišvengiamai suapvalins įrankio kampus.
„Panašus į veidrodį{0}}“ ir lygus vidinis paviršius be įbrėžimų: visi vidiniai paviršiai, ypač tie, per kuriuos praeina optinės skaidulos ir laidai, turi būti lygūs kaip veidrodis (ypač maža Ra vertė) ir visiškai be įbrėžimų. Bet kokie mikroskopiniai išsikišimai ar įdubimai gali perpjauti plonesnius nei plaukas pluoštus, todėl įranga suges.
„Lipnios“ sunkiai apdirbamos--medžiagos: nesvarbu, ar tai 316 l nerūdijantis plienas, ar Ti-6Al-4V titano lydinys, jos abi yra mikroapdirbimo iššūkių. Nerūdijantis plienas yra linkęs kietėti, o titano lydinys turi prastą šilumos laidumą ir yra linkęs prilipti prie pjovimo įrankio, o tai yra rimtas išbandymas įrankio naudojimo trukmei ir apdirbimo stabilumui.
II. 5-ašies CNC mikro-frezavimas: sudėtingų trijų{2}}mačių formų makro formuotojas
Penkių-ašių CNC mikro{1}}frezavimas yra pagrindinė jėga kuriant pagrindinį kontūrą ir daugumą detalės savybių. Sąvoka „penkios-ašis“ reiškia tris tiesines ašis (X, Y, Z) ir dvi sukimosi ašis (paprastai A-ašis ir C-ašis), kurios suteikia įrankiui neprilygstamus judėjimo laisvės laipsnius.
Pagrindinis privalumas: viena sąranka, keli sudėtingi apdorojimai. Tai didžiausias 5 ašių šuolis, palyginti su 3 ašimis. Įrankį galima pakreipti kampu, artėjant prie ruošinio iš šono ar net iš apačios, todėl vienu sąranka galima apdoroti detales su sudėtingais lenktais paviršiais, pasvirusiomis skylėmis ir giliomis ertmėmis. Nuotoliniam apvalkalui tai reiškia, kad išorinis supaprastintas lenktas paviršius, pasvirusi praplovimo kanalo išleidimo anga ir keli skirtingi montavimo paviršių kampai gali būti nuolat apdorojami, išvengiant kaupiamųjų klaidų, kurias sukelia keli nustatymai, ir užtikrinamas itin didelis santykinis visų funkcijų tikslumas.
Techninis pagrindas „mikro“ frezavimui pasiekti:
Itin didelio greičio-suklio ir mikro-skersmens pjovimo įrankiai: veleno greitis paprastai yra nuo kelių dešimčių tūkstančių iki kelių šimtų tūkstančių apsisukimų per minutę (RPM). Kartu su kietojo lydinio arba deimantais dengtomis frezomis, kurių skersmuo yra 0,1 mm ar net mažesnis, galima pasiekti ypač didelį pjovimo linijos greitį, o pjovimo tūris vienam danteliui yra labai mažas, todėl sumažinama pjovimo jėga ir šiluma, o tai labai svarbu apdirbant plonasienes detales nesukeliant deformacijos.
Nanometro{0}}lygio servo ir dinaminis tikslumas: staklių tiesinės ir sukimosi ašys turi turėti nanometro-lygio padėties nustatymo skiriamąją gebą ir itin aukštas dinaminio atsako charakteristikas. Apdorojant sudėtingus lenktus paviršius, visos ašys turi judėti sinchroniškai, sklandžiai ir dideliu greičiu. Bet koks nedidelis atsilikimas ar vibracija paliks žymes ant ruošinio paviršiaus.
Pažangus įrankio kelias ir vibracijos slopinimas: CAM programinė įranga turi sukurti optimizuotus įrankio kelius, kad būtų išvengta staigių posūkių ir staigių pastūmos pokyčių. Pažangiosiose mašinose taip pat yra įrengtos vibracijos slopinimo sistemos, kurios gali stebėti ir neutralizuoti apdorojimo metu susidarančias vibracijas, o tai labai svarbu norint pasiekti aukštos kokybės paviršių ir pailginti įrankių tarnavimo laiką.
Proceso ribų pasireiškimas: nors 5-ašių mikrofrezavimas yra galingas, iš esmės tai yra „jėgos“ apdorojimas. Susidarius tokioms situacijoms, išryškėja jo fizinės ribos:
Tikrieji vidiniai aštrūs kampai: tol, kol naudojamas besisukantis frezavimas, apvalūs kampai, atsirandantys dėl įrankio spindulio, bus neišvengiami.
Mikroskopinės skylės arba grioveliai, kurių gylio -ir-skersmens santykis yra ypač didelis: ploni pjovimo įrankiai neturi tvirtumo ir yra linkę į deformaciją, dėl ko atsiranda skylės nuokrypis arba nenuoseklus griovelio plotis.
Darbinis grūdinimas ir įrankių susidėvėjimas: Apdorojant nerūdijantį plieną ir titano lydinius, įrankis gana greitai susidėvi. Susidėvėjęs- įrankis sustiprins darbo grūdinimo procesą ir turės įtakos matmenų tikslumui.
III. Mikro-EDM (mikroelektrinio išlydžio apdirbimas): be-kontaktinis mikroskopinis ofortas
Kai frezavimas pasiekia fizinę ribą, pradedamas naudoti mikro{0}}elektros iškrovos apdirbimas. Tai ne-kontaktinis apdorojimo metodas, kurio metu naudojama aukšta temperatūra, kurią sukuria impulsinis iškrovimas, kad ištirptų ir išgaruotų vietinės medžiagos. Tai daugiausia apima vielos elektros iškrovos apdirbimą (Wire EDM) ir grimzlės iškrovimo apdirbimą (Sinker EDM).
Darbo principas: tarp įrankio elektrodo (vario, volframo ir kt.) ir ruošinio (laidaus metalo) veikia impulsinė įtampa. Kai jie suartinami nuo kelių mikrometrų iki kelių dešimčių mikrometrų, izoliuojantis darbinis skystis (dažniausiai dejonizuotas vanduo arba alyva) suskaidomas, todėl akimirksniu išsiskiria kibirkštis. Išleidimo kanalo centrinė temperatūra gali siekti daugiau nei 10 000 laipsnių, todėl vietinė metalinė medžiaga gali ištirpti ar net išgaruoti. Sprogstamoji jėga išmeta išlydytą medžiagą į darbinį skystį, o paskui ją nuplauna.
„Specialiosios pajėgos“, įveikusios frezavimo iššūkius:
Pasiekti tobulus aštrius kampus ir švarius kraštus: naudojant formavimo elektrodus (kriauklės EDM), galima tiksliai atkartoti bet kokią formą, įskaitant absoliučiuosius stačiuosius kampus, aštrius kampus ir sudėtingus dviejų{0}}dimensijų kontūrus. Jis dažniausiai naudojamas norint pašalinti vidinius suapvalintus kampus, paliktus frezuojant, sukuriant puikias stačiakampio{2}}kampo tvirtinimo vietas jutikliams.
Itin plonų ypatybių-apdorojimas be įtempių: kadangi nėra mechaninės pjovimo jėgos, apdirbant elektros iškrovą galima lengvai suformuoti briauneles, sieneles ir siaurus iki 0,05 mm ar net plonesnius griovelius, nesukeliant ruošinio deformacijos. Tai labai svarbu apdorojant itin-plonas metalines pertvaras, skiriančias įvairias kameras.
Didelio-kietumo ir sunkiai{1}}apdirbamų{2}}medžiagų apdorojimas: elektros išlydžio apdirbimo galimybės priklauso tik nuo medžiagos laidumo ir neturi nieko bendra su jos kietumu, stiprumu ar kietumu. Todėl po grūdinimo jis gali lengvai apdirbti sukietintas medžiagas, nesukeldamas mechaninio įtempimo ir nesukeldamas medžiagos sukietėjimo.
Pasiekite puikią paviršiaus kokybę: naudojant pažangius apdirbimo parametrus (maža srovė, aukštas dažnis), paviršius su itin maža Ra verte (<0.1μm) can be obtained, without any directional tool marks. The recast layer (white layer) generated by the discharge is very thin and can be removed through subsequent electrolytic polishing.
Savaiminiai-ribojimai: medžiagos pašalinimo greitis yra gana lėtas; jis gali apdoroti tik laidžias medžiagas; elektrodai yra linkę nusidėvėti ir reikalauja kompensacijos; didelio masto medžiagų pašalinimo efektyvumas yra daug mažesnis nei frezavimo.
IV. Proceso integravimo išmintis: sinergetinis 1 + 1 > 2 gamybos procesas
Geriausi gamintojai nenaudoja šių dviejų procesų atskirai. Vietoj to, jie atlieka išmanų proceso planavimą, pagrįstą dalių dizaino ypatumais, kad pasiektų papildomų pranašumų. Tipiškas nuotolinio būsto gamybos procesas yra toks:
5-ašių CNC mikrofrezavimas (neapdorotam apdirbimui ir pagrindinio korpuso apdailai):
Pradinis apdorojimas: naudokite palyginti didelius{0}}dydžio pjovimo įrankius, kad greitai pašalintumėte didžiąją dalį medžiagos pertekliaus ir taip suformuotumėte pagrindinius detalės kontūrus.
Pus{0}}apdaila: naudokite mažesnius pjovimo įrankius, kad tolimesniam apdailos procesui liktų vienodi dydžiai.
Apdailos procesas: naudojant itin{0}}smulkaus mikro-skersmens frezavimo stakles ir didelį sukimosi greitį, esant itin mažam pjovimo gyliui, galutiniai kontūrai ir dauguma lenktų paviršių apdorojami taip, kad atitiktų pagrindinius matmenų ir paviršiaus apdailos reikalavimus. Šiame etape pradedama naudoti 5 ašių jungtis, kad būtų užbaigtas sklandus sudėtingų lenktų paviršių apdorojimas.
Mikroelektros išlydžio apdirbimas (grūdinimas ir kraštų apdaila):
Vielos pjovimo EDM: Jis gali būti naudojamas medžiagoms pjauti arba tam tikriems netaisyklingiems išoriniams kontūrams, kurių nepasiekia freza, apdirbti.
Box EDM: tai labai svarbus žingsnis siekiant vidinių aštrių kampų ir itin{0}}plonų funkcijų.
Elektrodų gamyba: pirma, remiantis 3D modeliu, tikslus apdorojimas (netgi apdirbimas mikro-elektros išlydžiu) naudojamas suformuotiems elektrodams iš vario arba grafito sukurti. Elektrodų tikslumas tiesiogiai lemia ruošinio tikslumą.
Elektros iškrovos apdirbimas: tiksliai nustatykite elektrodą konkrečioje ruošinio vietoje, kurią reikia apdirbti (pvz., jutiklio ertmės kampe), ir atlikite elektros išlydžio ėsdinimą. Naudodami kelis elektrodus (stambaus pjovimo, smulkaus pjovimo) arba keisdami elektrinius parametrus, palaipsniui suformuokite tobulus stačius kampus ir pasiekite norimą paviršiaus apdailą.
Itin plonų sienų apdorojimas: 0,05 mm plonoms sienoms naudojami specialūs plonų lakštų elektrodai. Smulkus iškrovimas atliekamas vienu metu arba nuosekliai iš abiejų pusių, tiksliai kontroliuojant ėsdinimo kiekį, kad susidarytų galutinė plonos sienelės struktūra.
Po{0}}apdorojimas ir galutinis valymas:
Skarų šalinimas ir poliravimas: nors EDM nesudaro įbrėžimų, apdirbtuose kraštuose vis tiek gali būti mikroskopinių įbrėžimų. Galutinį apdorojimą galima atlikti naudojant švelnų abrazyvinį srautą, magnetinį poliravimą arba cheminį poliravimą.
Elektrolitinis poliravimas: ruošinys panardinamas į elektrolitą kaip anodas. Dėl elektrocheminio tirpinimo mikroskopiniai paviršiaus išsikišimai selektyviai pašalinami, todėl paviršius yra lygus veidrodyje. Tuo pačiu metu pašalinamas ir plonas iš naujo apdirbto sluoksnio-sluoksnis, sukurtas naudojant EDM.
Kelių-pakopų ultragarsinis valymas: dalys valomos keliose ultragarso talpyklose su skirtingais dažniais ir tirpikliais, kruopščiai pašalinant visas mikrometrines ir sub{1}}mikrometrines metalo daleles, alyvos dėmes ir apdorojimo skysčių likučius, todėl pasiekiamas medicininis{2}} švarumas.
Mikrono{0}}lygio matavimo patvirtinimas:
Naudojant koordinačių matavimo mašiną (CMM), aprūpintą itin{0}}smulkiais zondais, išmatuojami pagrindiniai matmenys, padėties tikslumas ir formos bei padėties tolerancijos.
Naudojant didelės-raiškos optinio matymo sistemas arba baltos šviesos interferometrus, galima aptikti plika akimi nematomus paviršiaus šiurkštumą, kontūrus ir mikroskopinius defektus.
Visi duomenys buvo lyginami su CAD modeliu ir buvo sukurta viso{0}}dydžio patikrinimo ataskaita, siekiant užtikrinti, kad kiekviena funkcija atitiktų ±5 μm tolerancijos diapazoną.
V. Gamintojo vaidmuo: nuo įrangos savininko iki procesų integravimo eksperto
Turėti pažangias 5 ašių stakles ir elektros iškrovimo mašinas – tai tik bilietas. Tikrasis esminis konkurencingumas yra:
Proceso planavimo ir modeliavimo galimybės: prieš faktinį apdirbimą, naudojant CAM ir apdirbimo modeliavimo programinę įrangą, visas apdirbimo procesas yra iš anksto imituojamas, siekiant optimizuoti įrankio kelią, parinkti elektrodų strategijas ir numatyti galimus trukdžius ar perpjovimus, kad būtų pasiekta „gerai iš pirmo karto“.
Terminis valdymas ir proceso stabilumo kontrolė: Visa apdorojimo aplinka reikalauja griežtos temperatūros ir drėgmės kontrolės. Atliekant mikro-metrinį apdorojimą, reikia atsižvelgti į paties staklių šiluminį plėtimąsi, taip pat į operatoriaus kūno temperatūros įtaką. Standartinės konfigūracijos apima nuolatinės-temperatūros dirbtuves, staklių išankstinį pašildymą ir temperatūros kompensavimą linijoje.
Kryžminio-proceso lyginamosios analizės vienodumas: užtikrinkite, kad nuo frezavimo iki EDM ir galiausiai iki galutinio patikrinimo, viso proceso metu ruošinys turėtų vieningą ir tikslią koordinačių sistemą. Tai priklauso nuo tikslios tvirtinimo detalių konstrukcijos ir tikslių staklių išlyginimo sistemų.
Išvada: endoskopo galinio dangtelio gamyba yra tikslaus apdorojimo technologijos viršūnė. 5-ašių CNC mikro-frezavimo ir mikro-elektrinio iškrovimo apdirbimo derinys yra aukščiausias šiuo metu mikrometro skalės atimamosios gamybos lygis. Pirmoji tiksliai formuoja makroskopinę formą per „jėgos“ valdymą, o antroji įveikia kraštutinius bruožus per „elektros“ mikrograviravimą. Ši proceso integracija ne tik išsprendžia sudėtingų geometrinių formų ir didžiausio tikslumo prieštaravimą, bet ir maksimaliai padidina didelio našumo, sunkiai apdirbamų{9}}medžiagų potencialą. Gamintojams, kurie gali įvaldyti ir tinkamai taikyti šią bendradarbiavimo gamybos strategiją, tai, ką jie pateikia, yra ne tik dalis, bet ir miniatiūrinė inžinerijos platforma, kurioje puikiai integruota optika, skysčiai ir mechanika. Tai pagrindinė garantija, skatinanti minimaliai invazinius chirurginius instrumentus nuolat tobulėti link mažesnių, protingesnių ir galingesnių krypčių.