微精密加工① | 超精密磨削实现硬脆材料和微型部件更高生产率、更低成本、更少返工和更高质量

发布时间: 07月19日 浏览次数:391

 

微细加工与微纳加工技术是先进制造的前沿技术,并直接促进相关产业——机械、微电子、新材料、机电、化工、能源、航天航空、通讯、生物技术、医疗生物、国防军事——正以史无前例的推进,引领时代发展的制高点。

 

 

由于受到基础装备、工艺技术、行业基础等多方方面影响,中国的超精密加工技术的研究与应用于世界先进水平之间仍有巨大的差距,且行业内对该领域的资讯报道少之又少。放眼未来中国无限增长的产业潜力以及旨在助力中国制造的时代使命。DeburringTec去毛刺展&表面精加工技术展将推动精密加工领域前沿的技术、工艺、产品、装备和服务,面向创新研发、品牌交流与国际合作。

 

超精密数控加工/超精密加工——传统加工中的“高精度”是指个位数微米级的公差。超精密加工利用钻石的切削能力,通过使用被称为“纳米工具”的微型机器零件,能够产生公差达到“亚微米”级的精度。

 

 

超精密数控加工/超精密加工涉及的技术有:微细切削加工、微细电火花加工、激光切削/刻蚀/打孔、微挤压、微压印、微冲压、微注射成型。精密磨削是微细切削加工里的细分过程。

 

高精度零件在光学、激光系统组件、医疗技术和工具制造中使用越来越频繁。超精密加工技术对于成功生产各种不同材料的高精度光学和机械部件至关重要。超精密磨削可以完成超精密加工领域中具有最高形状精度和最终表面质量的零件。本文将详解该门技术在硬脆材料和微型化零件加工中的优势与应用。

 

 

01
什么是超精密磨削
 

 

超精密磨削,也叫微磨削, 是一种用于各个领域的精密制造工艺,是通过去除金属获得特定表面形状的磨削、珩磨或平面研磨过程。常用超精密磨削来实现硬脆材料和微型零件平面平行度、垂直度、定心和轮廓,因此超精密磨削加工常作为最终加工工序。

 

超精密磨削是对最终用户制造或加工的零件进行的,因此精度至关重要。磨削可以清理表面、去除多余的材料、去除毛刺、圆角边缘、产生具有平行边缘的平面,并完成非常接近设计标准的公差。

 

 

可以采用多种不同的超精密磨削技术来获得所需的效果,根据正在加工的零件的形状、大小和纹理,应该使用许多不同的工具,并合乎各自的规范要求。

 

 

02
超精密磨削优势
 

 

①高精度

 

超精密磨削是一种高度自动化过程,旨在对高度复杂的零件进行极其精确的成形,其中公差至关重要。在航空航天、核电站、军工设备、医疗设备、制造业等领域有着广泛的应用。

 

随着硬件组件小型化的趋势,传统的点磨方法已不足以实现高精度:公差在纳米范围内——实际上,比一毫米小 1000 倍。超精密磨削自动化与最先进的视觉系统相结合,为每个系统提供自动设置和零件定位,以实现高精度:

 

  • 实现纳米量级材料去除的加工技术

  • 实现特征尺寸从几微米到几百微米三维结构的加工

 

超精密磨削工艺有时也称为轮廓磨削,可应用于各种硬脆材料、各种微型组件,已在精密零件的内部实现精确的尺寸。精密网格有助于生产精确安装在产品腔室或腔体上的机械零件。超精密磨床精度及表面粗糙度一般达到的水平如下:

 

  • 尺寸精度±0.25-0.5微米

  • 圆度0.25-0.1微米

  • 表面粗糙度0.006-0.01微米

 

 

②成本效益

 

超精密磨削具有成本效益,它提供了对生产过程很重要的竞争优势。尤其是当您需要某种精度时。例如,如果您想在一个物体上同时磨削三个凹面,那么使用精密磨床可以轻松完成这项工作。

 

精密磨削没有机械加工的周期性能源消耗,因此为原型或短期生产运行中小批量生产具有成本效益。

 

③灵活有效

 

超精密磨削是一种灵活有效的金属切削工艺,可以在先进材料和各种金属上产生光滑、平整和一致的光洁度。与用工具车削相比,超精密磨削可以创造更好的表面质量,具有更高的切削效率,并且可以为有需要的人提供高度的通用性。

 

④高生产力和快速周转

 

人们越来越普遍地认为,包括超精密磨削在内的精密磨削技术是最大限度提高生产率的必要步骤,磨床高速运转,通过大量的转数,增加了在短时间内生产大量工件的能力。有利于高速生产高质量零件,减少废品率。此外,超精密磨削正成为一种首选做法,因为它消除了二次操作,从而加快了产品周转时间。此外,超精密磨削可重复的表面光洁度,从而提高生产率。

 

⑤易于监控和质量控制

 

监控和质量控制的困难是许多金属磨削公司面临的主要挑战之一。然而,在超精密磨削中,无线传感器测量设备会监控粗糙度和切削率。系统还可以将实时数据发送到数据库,方便客户查看生产状态并在必要时进行调整。

 

 

 

03
超精密磨削类型
 

 

技术人员还会选择合适的工具,使待抛光的工件表面具有正确的形状、尺寸和纹理。根据尺寸、形状、特征和所需的生产率,技术人员将选择合适的磨削操作,分类如下:

 

  • 平面研磨

  • 外圆磨削

  • 无心磨削

 

①平面磨削

 

平面磨削是平面精加工方法之一,可以得到较好的加工精度和表面质量。平面磨削通常在平面磨床上进行。可以用砂轮的圆周面进行磨削,也可以用砂轮的端面进行磨削。

 

磨削砂轮圆周面时,砂轮与工件的接触面积小,发热量小,冷却和排屑条件好,可获得较高的加工精度和较小的表面粗糙度值,但生产效率较低。用砂轮端面磨削时,砂轮与工件接触面积大,发热量大,冷却和排屑条件差,加工精度和表面粗糙度差,但生产效率低高。为了提高研磨效率,常采用多片研磨。

 

外圆磨削

 

外圆磨削又称中心磨削,用于在外径或内径上磨削工件的圆柱面和肩部。外圆磨削可以在圆形物体上提供光滑的表面光洁度。

 

工件安装在中心并由称为驱动爪或中心驱动器的装置旋转。砂轮和工件由不同的电机以不同的速度旋转。工作台可以调整以产生锥度。

 

 

外圆磨床有一个砂轮(砂轮)、两个固定的工件中心和一个卡盘、磨爪或其他驱动工件的机构。大多数外圆磨床包括一个转盘,以便形成锥形零件。砂轮与工件在径向和纵向上相互平行移动以进行修磨。

 

③无心磨削

 

无心磨削通常用于加工不在主轴与尾矿之间的长、薄、小工件。在这种磨削操作中,工件被固定在两个旋转的砂轮之间,砂轮具有很高的线速度,在工件表面进行磨削动作,导向轮带动圆柱形工件在变幅杆上旋转。刀片在加工过程中支撑工件。

 

在典型的精密磨削过程中,砂轮将表面磨削至项目的精确规格,同时始终保持最高精度。但是,除了这种整形和剃须外,这种磨削工艺还产生了光滑的表面,没有凹凸、凹凸或图案。

 

04
超精密磨削适合什么类型的材料
 

 

 

适用于许多硬脆材料,如陶瓷、碳化钨、有色金属、钢、塑料和玻璃等,具有极高的耐磨性和耐温性、高硬度和低断裂韧性。由于这些特性,材料只能通过使用几何形状未定义的切削刃的切削操作进行加工。

 

超精密磨削工艺对于生产硬脆基材的具有高精度表面的零件必不可少。往往配置了最先进的机器,用于使用单晶金刚石工具进行超精密磨削和超精密车削,包括超声波辅助金刚石车削。能够处理各种金属、塑料、复合材料和特殊材料,包括:

 

合金钢

高硬金属

硬质合金

黄铜

青铜合金

 

石英

精密陶瓷

碳素钢

不锈钢

 

ABS

玻璃纤维增强塑料

聚碳酸酯

PVC

聚四氟乙烯

 

制造工艺能够生产各种几何形状,包括旋转和非旋转对称零件,例如球体、非球面、自由曲面和结构化表面。使用专用的超精密机床和空气轴承主轴,结合合适的工艺策略,可以实现 PV < 250 nm 的形状精度和 Ra < 5 nm 的表面粗糙度。

 

 

05
超精密磨削适合什么类型的零件
 

 

超精密磨削主要用于生产通常由坚硬且难以加工的材料制成的高质量和功能的微型部件(例如许多现代电子设备中需要精密研磨的组件),如用于制造磁头、光学玻璃、电子器件、模具、轴承齿轮、曲柄、凸轮以及具有微型结构的精密元件(50μm的微型齿轮),这些微型零件需要高度的平整度、高度的平行度或出色的表面光洁度。

 

 

然而,也有许多较大的零件也需要精密研磨,其中包括航空航天仪器、医疗设备、刀片工具中常用的零件,以及许多不同的拉荷亚移动汽车细节科学仪器。这些设备非常灵敏,允许的误差非常小,因此,每一次磨削都需要绝对的规范。大多数精密磨削项目都可以适应各种不同零件的精确规格。

 

当然,也有许多替代精密磨削的方法,它们也可用于满足上述应用的需求,但这些方法往往不具有成本效益或精度。

 

总结,超精密磨削可在整个生产周期中带来好处。结果是更高的生产率、更低的成本、更少的返工、更高质量的零件和工具、更高的客户满意度以及更灵活的调度。

 

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国际去毛刺&表面精加工技术展览会

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