8 - 2005

Новые технологии и средства микрофрезерования

Йорген В. Боденхаузен, Вольфганг Мюллер

В таких областях науки, как микрохирургия, оптика и сенсорика, сегодня все большее значение приобретают пластмассовые детали микроскопических размеров. Их массовое производство, обеспечивающее приемлемую себестоимость, требует квалифицированного и высокоточного изготовления миниатюрных пресс-форм для инжекционного литья. Поэтому начиная с апреля 2003 года страны ЕС финансируют совместный проект CRAFT (Cooperative Research Action for Technology) по использованию микрофрезерования для изготовления пресс-форм инжекционного литья (контракт G1ST-CT-2002-50232).

Благодаря содействию Фраунхоферского института IPT (Fraunhofer Institute of Production Technology), поставщики отдельных технологий (подпроцессов) микрофрезерования получили информацию о полном процессе — от импорта данных об изделии до изготовления и проверки микропресс-формы. Помимо института IPT, в проекте приняли участие разработчики CAD/CAM-системы (компания Cimatron), оборудования для микрофрезерования (компания Kern) и специального фрезерного инструмента (компания Magafor), а также изготовители пресс-форм (Promolding B.V., Structoform и MMT AG). Целевыми технологическими параметрами проекта являлись:

• максимальное отношение длины инструмента к диаметру: 10;

• диаметр инструмента: < 100 мк;

• угол уклона в матрице пресс-формы: до 1,52°;

• точность обработки: до 5 мк;

• шероховатость поверхности (Ra): < 0,2 мк;

• материал изделия: инструментальная сталь.

После завершения проекта в апреле этого года некоторые результаты продолжают обсуждаться в аспекте функций и возможностей CAD/CAM-системы.

CAD/CAM-система влияет на результат фрезерования по целому ряду факторов: начиная от импорта данных об изделии, через выбор подходящих стратегий чернового и чистового фрезерования и заканчивая формированием управляющей программы для оборудования с ЧПУ. Испытания проводились в системе Cimatron E, представляющей собой интегрированное CAD/CAM-решение для инструментального производства. Cimatron E включает подсистему гибридного моделирования, работающую как с твердотельными, так и с поверхностными элементами. Система базируется на ядре ACIS, которое на данный момент обладает наивысшей точностью вычислений в 10 -6 мм (1 нм). При импорте данных об изделии иногда имеют место случаи «плохой» геометрии, которую система исправляет до того, как та будет использована в САМ-операциях. Поскольку малые отверстия или нарушения непрерывности геометрии способны оказать серьезное воздействие на качество детали, CAD/CAM-система отслеживает связь функций проектирования и изготовления при восстановлении (исправлении) геометрии. По сравнению с чисто твердотельными моделировщиками, гибридный моделировщик Cimatron E имеет важное преимущество, поскольку позволяет «вылечить» некорректные данные при помощи различных функций работы с поверхностями.

Рис. 1. Инструмент 50 мк для микрофрезерования (Magafor)

Рис. 1. Инструмент 50 мк для микрофрезерования (Magafor)

Рис. 2. Специальная форма конца инструмента 50 мк (Magafor)

Рис. 2. Специальная форма конца инструмента 50 мк (Magafor)

Для фрезерования матриц пресс-форм компания Magafor разработала специальный фрезерный инструмент с диаметром менее 50 мк, то есть тоньше волоса (рис. 1). При этом форма конца инструмента модифицирована с целью достижения лучшего качества обрабатываемой поверхности (рис. 2). Поскольку работа инструмента происходит при скоростях шпинделя порядка 160 000 об./мин (станок Kern), то существует риск поломки инструмента в процессе фрезерования. Последующая замена такого инструмента в процессе обработки привела бы к нарушению непрерывности микроповерхности, но специальные стратегии в CAD/CAM могут помочь в минимизации указанного риска:

• врезание инструмента в деталь должно быть как можно более гладким и длительным. Этого можно добиться, используя наклонное врезание или врезание по спирали сверху вниз;

• чтобы добиться однородности траектории движения инструмента, можно использовать те же стратегии, что и при высокоскоростной обработке (High Speed Cutting, HSC), например стратегии скругления углов и спирального фрезерования;

• для черновой обработки микроуглублений (микроматриц) очень важно наличие знаний о состоянии заготовки в текущий момент обработки, так как неправильная информация о состоянии заготовки может привести к поломке инструмента.

Рис. 3. Результаты различных стратегий чистовой обработки

Рис. 3. Результаты различных стратегий чистовой обработки

Рис. 4. Чистовая траектория для микроротора с использованием UV-стратегий

Рис. 4. Чистовая траектория для микроротора с использованием UV-стратегий

Рис. 5. Обработанная пресс-форма для микроротора

Рис. 5. Обработанная пресс-форма для микроротора

В рамках проекта были протестированы также различные стратегии чистовой обработки (рис. 3):

• поверхностные стратегии обработки с ЧПУ, в которых траектория инструмента генерируется по аппроксимированным поверхностям. В зависимости от точности аппроксимации и возможных изменений направления траектории здесь могут генерироваться негомогенные траектории инструмента;

• наилучшие результаты достигаются при использовании стратегий 3D-шага, где обработка идет вдоль контурных линий, каждая из которых имеет постоянное значение координаты Z. Здесь могут также применяться упомянутые выше стратегии HSC;

• в качестве альтернативы Cimatron E предоставляет опцию фрезерования поверхности вдоль ее параметрических кривых (по направлениям U и V). Она претендует на то, чтобы быть наилучшей стратегией чистовой обработки для микрофрезерования.

Рис. 4 иллюстрирует чистовую обработку матрицы для микроротора с использованием UV-стратегий. На рис. 5 показан конечный результат — обработанная пресс-форма для микроротора.

Чтобы добиться высокого качества поверхности, необходим правильный выбор стратегии ЧПУ-обработки и недостаточно использовать только малый шаг. Траектория движения инструмента преобразуется с помощью постпроцессора в управляющую программу для станка с ЧПУ. Для обеспечения гладкости траектории система ЧПУ станка должна поддерживать режим не только линейной, но и сплайновой интерполяции.

Кроме того, для повышения точности может быть использовано масштабирование. Геометрия детали масштабируется с коэффициентом увеличения равным 10, затем траектория инструмента рассчитывается для увеличенных размеров и с помощью последующего постпроцессирования пересчитывается с коэффициентом 10 обратно к исходному масштабу. Чтобы сделать этот метод дружественным для пользователя, следующая версия Cimatron E будет поддерживать бесшовное масштабирование в процессе расчета, без искажения входной и выходной информации для какой-либо из подсистем (моделирования, просмотра, симуляции, получения NC-отчетов и, разумеется, формирования управляющей программы — все в исходном нормальном масштабе).

САПР и графика 8'2005