9. FINOM- ÉS ULTRAPRECÍZIÓS MEGMUNKÁLÁSOK

Átírás

1 9. FINOM- ÉS ULTRAPRECÍZIÓS MEGMUNKÁLÁSOK Már a 17. században készítettek rézből tükröket üveg és porcelán kísérleti célból történő megolvasztásra, továbbá csillagászati tükörteleszkópok számára. Emanuel Maignan 1648-ban már olyan esztergát szerkesztett, amivel hiperbolikus (aszférikus) fémtükröket lehetett esztergálni. A fémtükrök készítése terén az igazi fejlődés azonban csak 1945 után következett be, amikor szerszámélként természetes gyémánt egykristályt kezdtek alkalmazni.

2 Az ultraprecíziós technika gyors fejlődését a teljesítménylézerek kifejlesztése, valamint az infravörös optika elterjedése ösztönözte. Fémtükrök számára jól reflektáló anyagokat (réz, alumínium, nikkel, arany, ezüst, platina) alkalmaznak. Az infravörös tartományban jó áteresztőképességgel rendelkező anyagok (germánium, szilícium, galliumarzenid, cinkszelenid, magnéziumfluorid, stb.) a megfelelőek.

3 Egyéb optikai elemeket (pl. beültethető szemlencse, kemény kontaktlencse, stb.) műanyagokból (PMMA, polisztirol, nylon, stb.) készítenek. A berendezések hatásfokának javítása az optikai felületektől 1 µm alatti megmunkálási pontosságot és Ra 0,05-0,01 µm érdességet igényel. Ilyen pontos felületeket csak rendkívül kicsi (µm körüli mérettartományba eső) forgácsméretek beállításával lehet szabályos élgeometriával rendelkező szerszámmal előállítani. Ezért ezeket a megmunkálásokat szubmikronos megmunkálásoknak, ultraprecíziós megmunkálásoknak, nanotechnológiának, mikroforgácsolásnak, stb. is nevezik Az ultraprecíziós megmunkálásokra egységes osztályozás még nem alakult ki.

4 9.1. táblázat Megmunkálási eljárás/ változat Megkövetelt pontosság Alakhiba[PV]/ Érdesség [Ra] Osztályba sorolás 1. Esztergálás, marás < 50 µm / 1.6 µm Finommegmunkálás Finomesztergálás, köszörülés Leppelés, finomköszörülés mikro- Mikroforgácsolás, köszörülés Polírozás, polírozás elektrokémiai < 25 µm / 0.24 µm Precíziós megmunkálás < 10 µm / < 0.13 µm Nagypontosságú megmunkálás < 1 µm / < 0.1 µm Ultraprecíziós megmunkálás < 0.1 µm / < 0.01 µm Nanotechnológia A megmunkálási eljárások osztályozása az elérhető pontosság szerint

5 Más osztályozás szerint a 9.1. táblázat 1. sora a hagyományos megmunkálásokkal elérhető pontosságot jelöli. A 2. és 3. sort precíziós megmunkálásoknak, míg a 4. és 5. sort ultraprecíziós megmunkálásoknak nevezzük. Az ultraprecíziós megmunkálásoknak a hagyományos és precíziós megmunkálásoktól minden tekintetben eltérő körülményeket igényelnek. A megmunkálási pontosság az acélból készült alkatrészekkel szemben is fokozódott.

6 Vastartalmú anyagok gyémánt éllel nem forgácsolhatók, mert normál körülmények között (600 Cos forgácsolási hőmérséklet felett) vas jelenlétében megindul a gyémánt grafittá alakulása. Vastartalmú kemény anyagok forgácsolására a gyémánt után a második legkeményebb anyag, a köbös bórnitrid (CBN) a legalkalmasabb. Megfelelően merev gépen, edzett kemény anyagok szabályos élű szerszámmal 1 µm körüli pontossággal 10 nm-t meghaladó átlagos érdességgel munkálhatók meg.

7 Ez a pontosság a hagyományos precíziós megmunkálásokkal elérhető pontosság és az ultraprecíziós pontosság közé esik, ezért fokozott pontosságú megmunkálásnak vagy ultraprecíziós keménymegmunkálásnak nevezzük. A köbös bórnitrid (CBN) jó hőállósága miatt nem igényel hűtést, azaz környezetbarát megmunkálásnak tekinthető. Többek között ezen tulajdonság miatt a köszörülés alternatívájaként egyre gyakrabban alkalmazzák.

8 9.1. Ultraprecíziós megmunkálások, megmunkáló gép, gyártóeszközök, környezet A napjainkban egyre gyakrabban alkalmazott úgynevezett ultraprecíz megmunkálás fejlődése a hagyományos és a precíziós megmunkálásokon keresztül a 9.1. ábra segítségével tanulmányozható. : Következő lapon: 9.1. ábra A precíziós megmunkálás fejlődése. Taniguchi által ben készített és Stout által 1997-ben frissített diagram

9 Szerszámgépek és eszközök in Normál megmunkálás Eszterga és marógépek Köszörûgépek CNC megmunkálás 10 Leppelõ és hónoló gépek 1 µm 0.1 (1 µm) Precíziós megmunkálás Koordinátaköszörülés Léptetõ és hónoló gépek Precíziós köszörülés Szuperfiniselés Gyémántköszörülés Gyémántesztergálás Nagy pontosságú maszk beállítók 1 µ in nm (1 A ) Ultraprecíziós megmunkálás 1 nm Atomrács Ultraprecíziós gyémántesztergálás Elhajlási rács szabályozó gép Szabad abrazív megmunkálás Elektronikus sugár} Gyenge röntgen Litográfia Ionsugaras megmunkálás Molekula nyalábos orientációs kristályránövesztés STM AFM Molekuláris manipuláció

10 A finom-, különleges- és ultraprecíziós megmunkálások egyik osztályozása 9.2. ábra [159].

11 MEGMUNKÁLÁS A MINŐSÉG (átlagos) 9.2. táblázat 1. ESZTERGÁLÁS 2. KÖSZÖRÜLÉS Nagyoló S (IT 6) F (IT 3) Pontosság R a, µm Nagyoló IT 11 >12,5 N (normál) S (simító) (IT 8) P (precíziós) F (finom) UP (ultraprecíziós) 3. DÖRZSKÖSZ. N (Normál) UP (ultraprec.) 4. TÜKRÖSÍTÉS (LEPPELÉS) 5. FELÜLETSZILÁR- DÍTÓ ELJÁRÁSOK IT 9 IT 10 IT 5 IT 6 IT 3 IT 4 < 1 0,1 µm IT 10 IT 7 IT 8 IT 4 IT 6 IT 3 IT 6 <1µm 1,25 6,3 0,63 1,25 0,2 0,63 0,001 0,08 0,8 3,2 0,2 1,6 0,1 0,4 0,01 0,5 0,001 0,05 IT 3 IT 5 0,01 0,2 < IT 7 Előző művelettől (forgácsolás) függ 0,1 1,25 felületi rétegtulajdonságok jav. A különböző megmunkálásokkal elérhető pontosságok és átlagos érdességek

12 Külső és belső hengeres, sík felületek különleges befejező (finom) megmunkálásai a Gépgyártástechnológia I. című könyvben [44], a felületi hideg képlékeny alakítással végzett finommegmunkálásokat e könyv 7. fejezetében tárgyaljuk.

13 9.2. A minőség és a megmunkálási ill. gyártási költség kapcsolata A pontosság és felületminőség növelése növeli a gyártási költségeket. Öncélúan nem növelhetjük a minőséget. Funkcionális működési követelmények határozzák meg a szükséges minőséget. A minőségnek a pontosságnak ára van. Ezt szemlélteti a pontosság gyártási (megmunkálási) költség ábra (9. 3. ábra).

14 K R Relatív megmunkálási költség... 2 Ultraprecíziós eszt. Tükrösítés Köszörülés Finomeszt. 1 Simító eszt. N. eszt. IT4 IT6 IT9 Előírt pontosság 9.3. ábra Megmunkálási pontosság és költség kapcsolata

15 Itt jutunk el a különleges megmunkálások között az extrém feltételek (igen kis forgácskeresztmetszet, stb.) mellett végzett ultraprecíziós megmunkálásokhoz, elsősorban az ultraprecíziós esztergáláshoz Ultraprecíziós forgácsolás Általános tendencia a gépiparban: a tűrések szűkülése, a pontosság fokozódása, a felületminőség javulása, amelynek okai a funkciókból adódnak a kisebb zajszint, nagyobb élettartam vagy meghatározott élettartamra való tervezés,jó fényvisszaverődési képesség, stb.

16 A minőség az alkatrészrajzról leolvasható, amelynek tényezői: makrogeometria az alkatrészrajz szerint, mérettűrés, alaktűrés, helyzetpontosság. felületminőség, mikrogeometria, mikrotopográfia, mikrokeménység (HVµ), szövetszerkezet, maradó feszültség (σm), különleges anyag, anyagminőség, stb.

17 Mit határoz meg a minőség? funkciót, megfelel-e a működési feltételeknek? élettartamot, tartósságot, kopásállóságot, stb.

18 Forgácsleválasztás jellegzetességei finom- és ultraprecíz esztergálásnál Kis forgácskeresztmetszet leválasztása (ortogonál vagy szabadforgácsolás) esetén az ideálistól eltérés van, azaz: r n 0 (élsugár). Nem él hanem r n sugarú henger alakít. Nagy forgács keresztmetszetet választunk le, ha h > r n (1+sinγ n ), és kis forgács keresztmetszetet választunk le, ha h r n (1+sinγ n ). Az utóbbi eset jellemzi a finom- és ultraprecíz forgácsolást. A forgács tömörödik, ezért h c h >1.

19 9.4. ábra Finomesztergálás (forgácsoló ék)

20 A pont: úgynevezett stagnációs pont vagy neutrális pont (vonal) kijelöli az úgynevezett h kr kritikus forgácsvastagságot: h kr = h kr (Anyag, v c,, forg. körülményei). η neutrális szög tájékoztató értéke η Ha h > h kr van forgácsleválasztás, h < h kr csak vasalás következhet be. A kritikus forgácsvastagság ABK derékszögű háromszögből: h kr = r n (1-cosη) = (0,3 0,43)r n

21 9.5. ábra Optimális forgácsvastagság a forgácsoló erő, hőmérséklet és felületi érdesség függvényében

22 Élsugár (r n ) függ: szerszám anyagától (összetétel, szemcse átmérő, stb.) élezés módjától, finomságától stb. Finomesztergáló gép: pontossági és merevségi követelmények és egyéb feltételek hasonlóak, mint az ultraprecíz esztergánál, csak nem olyan szigorúak. Jellemző pontosság: < IT 6, R a =0,2..0,63 µm

23 Ultraprecíziós megmunkálás technológiai tényezői a.) Gyártócsarnok, környezet Az ultraprecíziós gépeket klimatizált csarnokba telepítik, ahol a hőmérséklet 20±0.5 C, vagy szűkebb határok között ingadozhat, a relatív nedvességtartalom 50%. A csarnok levegőjének porszegénynek kell lennie. Általában 4000-s tisztaságot írnak elő (4000 db, µm alatti porszem 1 köblábban)[158].

24 Jellemző rá az 1µm körüli, vagy annál nagyobb pontosság. Felületminőség: igen kis érdességek, tükrös felületek, R a nm-ben mérhető, tükrös, jó fényvisszaverőképesség: 95 98%. Összehasonlítás, feltételek: Részben a finomesztergálással egyeznek, de sokkal szigorúbbak, különleges követelmények a megmunkáló rendszerrel (MKGSI) és a környezettel szemben (9.6.ábra:

25 M K G S I HKA AZ ULTRAPRECÍZIÓS GYÁRTÁS MINŐSÉGE Technológiai adatok Környezet Mérések, minőségellenőrzés 9.6. ábra Ultraprecíziós gyártás minőségét befolyásoló tényezők

26 b.) Munkadarab A munkadarabok anyagszerkezeti állapota, az anyag homogenitása, a krisztallitok nagysága és orientáltsága nagymértékben befolyásolja a megmunkált felület topográfiáját. Legjobb felület amorf, mikrokristályos vagy martenzites szerkezet esetén érhető el. Olyan megmunkálásoknál, amikor a szerszám eredő sebessége és az atomrács síkjainak az iránya állandó szöget zárnak be (pl. gyalulás), az egykristály anyagnál kiváló felületi minőséget tudnak elérni, jó beállítással.

27 Anyagminőség: definiált legyen homogén, igen finom szemcsés anyag pl. OF-Cu (oxigén mentes - réz) lézertükör számára, nagy tisztaság, jól forgácsolhatóság.

28 Szemcsehatár Iránysík, törési - csúszási felület S v c 9.7. ábra Ultraprecíziós forgácsolás

29 Durva szemcseszerkezetű anyagot forgácsolva jó minőségű nyírt felületet és szemcsehatáron bekövetkező szakadások miatt heterogén felületminőséget kapunk. Ultraprecíziós esztergálás alkalmazásai: lágy, képlékeny anyagokból készült mdb-ok (ezek nem köszörülhetők, illetve nehezen),

30 bonyolult alakzatok (parabola tükör, lencsék), mint például: optikai tükrök (fény- és lézer tartomány), lencsék (fény- és lézer tartomány), fénymásoló dobok, mágneses merev tárolók, videorekorder szalagvezető görgők, hidrosztatikus és pneusztatikus csapágyak, vákuumtömítések, részecskegyorsítók elektródái, nagypontosságú készülékek és szerszámok, mesterdarabok és, műszerek alkatrészeinek gyártása.

31 c.) Készülék A munkadarabok befogására általában vákuumtokmányt használnak. Üveg és műanyag alkatrészeket gyakran ragasztással rögzítenek (pl. lencsék megmunkálása). Hengeres munkadarabok puhapofás tokmányba, patronba, stb. is befoghatók.

32 Követelmények: deformáció mentes befogás, erőszabályozás (pl.: pneumatikus tokmány, expanziós tüske), tokmány pofák, - puhák, - méretre szabályozás, felületi befogás megvalósítása, vákuumos befogás, - sík lemezek befogása, pl.: floppy-tárcsák megmunkálása.

33 d.) Szerszám A lágy és kemény anyagok forgácsolásakor alkalmazott szerszámok mind anyagukban, mind pedig geometriai kialakításukban rendkívüli módon eltérnek egymástól. Lágy anyagok (pontosabban vasat nem tartalmazó anyagok) ultraprecíziós forgácsolására kizárólag természetes gyémánt egykristály élanyagot használnak. Néhány esztergakés élrészt láthatunk a ábrán.

34 r ε κ 45 κ 2 κ 18 κ 2 Egyélû szerszám Rádiuszos szerszám Fazettás szerszám 9.8. ábra Néhány jellegzetes gyémánt esztergakés

35 A kés jósága szempontjából meghatározó a gyémánt szennyezettsége (tisztasága), él lekerekedési sugara (élessége) az él érdessége és alakhibája. Szférikus és aszférikus felületek esztergálására rádiuszos éllel rendelkező szerszámot használunk. Mivel az esztergáláskor a munkadarabbal mindig más élpont (élszakasz) érintkezik, a pontosságot az él geometriai pontossága befolyásolja. Így az élsugár körtől való eltérésének 1 µm alatt kell lennie.

36 A leválasztható minimális forgácsvastagságot az él lekerekedési sugara (r ß ) határozza meg. Tükörfelületek esztergálásakor 1 µm körüli előtolással dolgozunk. Ekkor a jól élezett gyémánt él él-lekerekedési sugarának 10 nm-es nagyságrendben kell lennie. Edzett kemény anyagok finommegmunkálására 1-2 µm kristályméretű, kb. 50% köbös bórnitridet tartalmazó szerszámanyagot fejlesztettek ki. Mivel a köbös bórnitrid kristályok mérete az éllekerekedés mértékét (élezhetőségét) is meghatározza (r ß =1,5-3 µm), ezért a leválasztható minimális forgácsvastagságot nem célszerű 10 µm-nél kisebbre választani. A forgácsleválasztási folyamatból származó rezgések csökkentése és a merevség növelése érdekében általában keményfémből vagy nehézfémből készített késszárat alkalmaznak.

37 Geometria (9.9. ábra): egyélű, éllekerekítés r n << 1µm (10nm igen jó), r n és h viszonya: nyír vagy vasal a szerszám, h > < h kr viszonytól függően R a =0,08 0,02 µm (hát- és homlokfelületek), Élkialakítás, csúcssugárral, r ε : kicsi rε < 1mm, vagy nagy rε = mm, fazettával, homlokszög: γ = 0, γ = 5 8, hátszög, α = 8 15 (anyagminőségtől függ) 9.9. ábra A forgácsoló szerszám geometriai adatai

38 Anyaga: D (diamond) természetes gyémánt, nem vas anyagokhoz, CBN (köbös bórnitrid) vas és ötvözetei, edzett acélok megmunkálásához, a munkadarab pontossága és felületminősége rosszabb lesz.

39 9.10. ábra Ultraprecíziós megmunkálásokra alkalmazott szerszámok

40 9.11. ábra Mono-kristály gyémánt forgácsolószerszámok

41 9.12. ábra Ultraprecíz forgácsolás

42 e.) Gép A gépágy alá rezgéscsillapításként csillapító papucsokat vagy légrugókat helyeznek. A gépágyat jó rezgéscsillapító anyagból (gránit, gömbgrafitos öv.) készítik. A főorsó és a vezetékek aerosztatikus vagy hidrosztatikus csapágyazásúak. A CNC vezérlés felbontóképessége (legkisebb programozható inkrementum) 0,1 µm 0,01 µm, a gép mérőrendszere is általában speciális lézerinterferométeres mérőeszköz, 0,01 µm mérési pontossággal.

43 Gépágyat jellemzi: nagy merevség, gránit, polymerbeton, acél erősítésekkel, gömbgrafitos öntvény, jó rezgéscsillapítás, nem hőérzékeny.

44 ágy 2., 3. edzett acél vezeték 4. papucs ábra Ultraprecíziós gépágy (polymerbeton)

45 Hajtások: Főhajtás, fokozat mentes, nem lehet fogaskerék, végtelenített laposszíj hajtás, stb., n max = /min.

46 Csapágyazás: hidrosztatikus vagy, légcsapágyazás, csapágyhézag h 10µm, p = 6 bar 0,6 MPa, csapágy felületek: Ra 0,01µm, futáspontosság (radiális és axiális irányok) 0,1µm, terhelhetőség, Frad= N, Fax= N.

47 Vezetékek: hidrosztatikus, légpárnás Fsz= N. Vezérlés: CNC pályavezérlés, interpoláció (lineáris, cirkuláris). Mérések: Gépen. Útmérés: lézeres interfernométerrel (Michelson-féle) pontosság ±1 nm.

48 9.14. ábra Útmérés elméleti vázlata

49 Gépen kívül: érintésmentes, lézersugaras hosszmérés. Felületminőség - felületi érdesség vizsgálata: ábra Mikrogeometria mérése a) mechanikus gyémánt tapintóval; b) érintésmentes lézeres mérés

50 a) D: mechanikus gyémánttapintó sugara r = 5µm, Nem ajánlott, mert nem ad helyes adatokat (burkoló felület), karcol, stb. b) L: lézeres, A fényintenzitás dektálás elvből következik, hogy átlagot mér (sugár átmérő: 1µm). Környezeti feltételek: rezgésmentesség célszerű alapozás és lengéscsillapító papucsok, pormentesség, hőmérséklet állandóság légkondicionálás, légzsilipelés.

51 1. gép 2. rezgéscsillapító papucs 3. gépalap 4. gumilemez 5. kavicságy 6. külső rezgések ábra Gép alapozás a környezettől függetlenített kivitelben

52 9.17. ábra A Miskolci Egyetem Ultrapecíziós Laboratóriuma

53 f.) Technológiai sajátosságok A felület érdességére a forgácsolási sebesség általában nincs, vagy csak nagyon kis mértékben van hatással, ezért a fordulatszám sokszor tág határok között változtatható. Így lehetőségünk van a munkadarab tömegének figyelembevételével a legalacsonyabb rezgésszintet megkeresni és azt beállítani. A rezgésre és rezonanciára már a munkadarabok tervezéskor oda kell figyelni.

54 Technológiai adatok: Alapelv: igen kis Ac, nagy vc (nagy főorsó ford. szám), Lehetőség: anyagtól és szerszámtól is függ a konkrét feladaton túl, v c = m/min (pl. UP-1, n max =5000 1/min), f = 0,5 10 µm/ford, a = 1 50 µm, Pontosság: 1µm alatt, R a = 0,08 0,001 µm, tükrös, jó fényvisszaverő felület (fém) (~95 98% visszaverődés).

55 Fémek forgácsolásakor általában tiszta petróleumvagy alkohol-bázisú ködhűtést (kenést) alkalmazunk, míg műanyagoknál leginkább vizet. Kiterjedt nagy felületek forgácsolása a kis előtolás miatt sokszor órákat is igénybe vesz. Tehát a legapróbb részletre kiterjedő azonos körülményeket a forgácsolás egész időtartama alatt biztosítani kell.

56 Kemény, edzett acélok forgácsolásakor a forgácsméretek egy nagyságrenddel nagyobbak, az anyag szilárdsága sokszorosan nagyobb mint nem vas alapú anyagok forgácsolásakor. Ezért a forgácsolási erő komponensei is 1-2 nagyságrenddel nagyobbak (F c =5 25 N) lesznek. Mindebből az következik, hogy amíg a gyémánttal történő forgácsolást zömében aerosztatikus csapágyazású gépeken végezzük, addig az acélok forgácsolására a jobban terhelhető, merevebb, hidrosztatikus csapágyazású gépek a megfelelők.

57 A szerszám kopási sebessége és a megmunkált felület érdessége nagymértékben függ a forgácsolási sebességtől. Ultraprecíziós keményforgácsoláskor tipikus az olyan forgácsolási sebesség, amelynél a kopási sebesség minimális. Általában ennél a sebességnél kapjuk a legjobb felületi minőséget is. Az optimális forgácsolási sebesség és a felületi érdesség a szerszám és munkadarab anyagától, forgácsméretektől, a szerszám él-kialakításától és még számos más tényezőtől függ, amelyre technológiai ajánlások és a tapasztalat nyújtanak támpontot.