Mikronástroje

Trend k miniaturizaci se nevyhýbá žádnému oboru: elektronické přístroje, senzory, optika, medicína, vstřikovací komponenty motorů i tiskáren, fi ltrační technika – a ruku v ruce s tím i miniaturizace tvarů a struktur konečných dílců i elektrod a vstřikovacích forem, s jejichž pomocí se miniaturní komponenty vyrábějí. Miniaturní struktury a dílce lze vyrobit více technologiemi; třískové obrábění však vychází jako velmi výhodné nejen z hlediska nákladovosti a možnosti zhotovení 3D tvarů, ale i z hlediska ekologie. Podmínkou úspěšnosti procesu je vhodný nástroj a obráběcí stroj, který musí disponovat dostatečně vysokými otáčkami na vřeteni, jeho systémy nesmí generovat žádné vibrace a musí vykazovat i některé specifické vlastnosti, jako je např. nulová tepelná dilatace vřetena ve směru nástroje, aby nedocházelo k jeho dodatečnému namáhání axiálními silami a podobně. Malé rozměry nástrojů i tvarových prvků obráběných dílců vyžadují velmi vysoké otáčky pro dosažení požadované řezné rychlosti, naproti tomu nároky na výkon stroje vysoké nejsou. VLASTNOSTI NASTROJŮ, TECHNOLOGIE Při mikroobrábění se často vyžaduje opracování kalených materiálů a odebírání minimální tloušťky třísky; běžně se požadují tolerance +/- 3?m a kvalita obrobeného povrchu 0,2 ?m. Mikronástroje určené k třískovému obrábění musí proto mít nejen přesné miniaturní tvary, ale také disponovat několika specifickými vlastnostmi. Oproti běžným řezným nástrojům je žádoucí, aby při procesu vznikaly pokud možno malé řezné síly, se kterými se může vyrovnat jak subtilní nástroj, tak obrobek. Je rovněž nutné kontrolovat radiální síly působící na nástroj, aby nedošlo k jeho lomu. Břit musí mít maximální možnou ostrost, a proto se často používají i nepovlakované nástroje nebo nástroje z rychlořezné oceli. Struktura nástrojů musí být dostatečně jemná – současné monolitní tvrdokovové nástroje mají submikronovou velikost zrn; jsou-li používány řezné povlaky, pak tenké PVD nebo DLC povlaky. Pro získání definované řezné síly je nezbytné přesné nastavení soustružnického nebo vyvrtávacího nástroje; rotační nástroje by měly být upnuty v upínačích s házivostí v řádu 0,003 mm a nevývahou G = 2,5, které připouštějí pracovní otáčky do 80 000 ot/min (např. polygonální upínače Schunk Tribos-S). Ve většině případů pro rotační mikronástroje již nevyhovují ani tepelně smrštitelné, ani sklíčidlové upínače. Pro zjednodušení upínacích prvků se u rotačních nástrojů používá systém jednotné stopky a vlastní pracovní část jmenovitého průměru má jen nezbytnou délku; navazující upínací stopka je zhotovena s ?3h6, ?4h6 nebo ?6h6; u nástrojů pro soustružení se užívá prizmatický držák 8 x 8 nebo 10 x 10 mm a u vyvrtávacích nástrojů pak systém jednotného upínacího pouzdra. Pracuje-li se s řeznou kapalinou, je nutná její dokonalá filtrace – i nepatrné nečistoty v pracovní zóně mohou způsobit problémy v řezném procesu anebo ucpat jemné přívodní kanálky u nástrojů s vnitřním přívodem kapaliny. VRTAKY Díky pokrokům práškové metalurgie je možno zhotovit mikrovrtáky s vnitřním přívodem řezné kapaliny již od ? 0,5 mm v délkách do 30 x D (Mitsubishi Carbide MINI-MWS); pomineme–li tento extrém, běžné jsou vrtáky od ? 0,8 mm bez a od ? 1,4 mm s vnitřním chlazením. Řezné podmínky se volí vždy dle doporučení výrobce; jen pro informaci lze uvést řeznou rychlost 80 – 150 m/min a posuv na otáčku 0,06 – 0,12 mm/ot pro vrtáky do průměru 1 mm. Užívá se řezná kapalina o tlaku minimálně 40 barů. Obecně se mikrovrtáky od běžných liší pečlivě volenou geometrií geometrie špičky, zlepšující středicí schopnosti nástroje a snižující axiální síly, i geometrií spirálové drážky, usnadňující odvod třísek. Vzhledem k tomu, že se jedná o velmi štíhlé nástroje, doporučuje se zhotovení pilotního otvoru s průměrem o 0,02 mm větším, než je jmenovitý průměr zhotovovaného otvoru, a to do hloubky 1 – 2 x D. FREZY Mikrofrézy nacházejí svoje uplatnění při zhotovování opticky aktivních struktur, při úpravách tištěných spojů, v dentální technice a řadě dalších oblastí, pro něž jsou mikrostruktury nezbytné. Požadavek na ostrou řeznou hranu nástroje je důvodem, proč jsou některé typy subminiaturních nástrojů zhotovovány z nepovlakované rychlořezné oceli. V běžné nabídce jsou nástroje s jmenovitým průměrem od 0,1 mm (obr. 1 – stopkové frézy Sandvik Coromant CoroMill Plura) s úhlem šroubovice 30°, tolerancí průměru +0/-0,01mm, různým provedením špičky a schopné obrábět materiály o tvrdosti 35 – 63 HRc. Frézy nejmenších průměrů jsou se dvěma zuby; z důvodu omezení radiálních sil se nepoužívá větší hloubka řezu než 0,8 x D a posuvy na zub se volí v rozmezí 0,01 – 0,015 x D. Jako extrém lze uvést subminiaturní stopkové frézy společnosti Spanabhebende Präzisionswerkzeuge GmbH, schopné dodat nástroje s jmenovitým průměrem 0,03 – 0,05 mm. Specifickou skupinu frézovacích mikronástrojů tvoří závitové frézy pro dentální potřeby, které jsou na trhu od velikosti závitu M 1 x 0,25 (průměr činné části nástroje je 0,70 mm) a frézy pro všeobecné použití, s vnitřním přívodem řezné kapaliny od velikosti M3 x 0,5. I tyto nástroje jsou schopny opracovat oceli s tvrdostí do 64 HRc, titanové slitiny a jiné, těžkoobrobitelné materiály (obr. 2 – závitová fréza Carmex Precision Tools Ltd). Pro snížení řezných sil se využívá krátký řezný profil a informativní řezná rychlost se pohybuje od 20 do 150 m/min dle obráběného materiálu; posuvy pro pracovní průměr frézy 1 mm činí 0,02 – 0,04 mm/zub. SOUSTRUŽNICKE NASTROJE Vnější soustružení drobných dílců většinou nepředstavuje zvláštní problém, dílec bývá dobře přístupný, neklade rozměrová omezení nástroji a obráběcí proces lze s přihlédnutím k výše uvedeným zásadám zvládnout, např. nástroji rodiny Iscar SwissCut pro soustružnické automaty apod. Vnitřní soustružení resp. vystružování však klade na nástroje značná prostorová omezení. Často se vyžaduje velké vyložení nástroje, vzniká nebezpečí vibrací a je nutné pečlivé seřízení nástroje do osy. Proto se často užívá systém upínání do přesného pouzdra (obr. 3 – upínací pouzdro Iscar Passport), do něhož lze upnout celou řadu vyvrtávacích mikronástrojů. Společnost Paul Horn pro tyto účely nabízí systém Supermini, využívající rovněž jednotné upínací pouzdro. Nástroje tohoto systému mohou vnitřně soustružit již od ? 0,2 mm (do hloubky 2,5 mm), zapichovat od ? 2,0 mm a čelně zapichovat od ? 5 mm. Další specialista na komplexní obrábění malých otvorů, firma Hobe, využívá rovněž jednotný držák s možností přesného axiálního a výškového nastavení vlastního nástroje z monolitního slinutého karbidu; držák i nástroje jsou vybaveny vnitřním přívodem řezné kapaliny. Nabízené nástroje jsou schopny provádět veškeré operace vnitřního soustružení v otvorech o průměru větším než cca 0,33 mm včetně zarovnávání dna otvoru, kopírování, zapichování, zhotovování závitů a dokonce i obrážení. ZAVĚR Fascinující možnosti průmyslu zhotovit miniaturní struktury, by však neměly zastřít jednu významnou vlastnost těchto nástrojů. Obsahují velký objem znalostí výrobce, jsou náročné na přesné technologie, kterými se zhotovují – ale především, porovná- -li se cena výroby hotových výrobků s cenou spotřebovaného materiálu, energie a vezme-li se ohled na nutnou ekologickou zátěž životního prostředí, lze dojít jen k jedinému závěru – jde o ideální výrobní program pro zemi s vysokou hustotou osídlení, pro zemi bez surovinových zdrojů, ale s kvalifikovanými pracovníky. Ing. Petr Borovan