Процес мікрофрезерування металів і сплавів: аналітичний огляд

Олег Олегович Томашевський; Наталія Олександрівна Балицька

doi:10.26642/ten-2023-2(92)-74-88

Автор(и)

Олег Олегович Томашевський Державний університет «Житомирська політехніка», Ukraine https://orcid.org/0000-0003-2639-1866
Наталія Олександрівна Балицька Державний університет «Житомирська політехніка», Ukraine https://orcid.org/0000-0003-1363-8110

DOI:

https://doi.org/10.26642/ten-2023-2(92)-74-88

Ключові слова:

мікрорізання; режими різання; масштабний ефект; механізм стружкоутворення

Анотація

У багатьох галузях промисловості стрімко зростає попит на мініатюрні високоточні вироби, що стимулює потребу в ефективних технологіях їх виготовлення. Мікрофрезерування є найбільш універсальним процесом мікрорізання металів і сплавів. Тому дослідження процесів мікрофрезерування з метою забезпечення високої ефективності обробки мініатюрних конструктивних елементів виробів є актуальним питанням для сучасного рівня металообробних технологій. У статті представлено аналітичний огляд сучасних наукових досліджень процесу мікрофрезерування металів і сплавів. Описуються основні вимоги до верстатів для мікрофрезерування, їх види та технічні характеристики. Розглядаються поширені конструкції мікрофрез, інструментальні матеріали для їх виготовлення та види застосовуваних зносостійких покриттів. У статті наводяться рекомендації виробників щодо призначення режимів мікрофрезерування різних матеріалів. Пояснюється взаємозв’язок ефекту мінімальної товщини зрізуваного шару із значенням кінематичного переднього кута та масштабного ефекту із варіаціями сил різання. Обговорюються особливості стружкоутворення при мікрофрезеруванні, а саме механізм видалення стружки за різної товщини зрізуваного шару. В статті висвітлюються можливі технічні труднощі, що виникають у процесі різання, й узагальнюються рекомендації для їх вирішення й ефективного мікрофрезерування металів і сплавів.

Посилання

Mikroobrobka, [Online], available at: http://old.kafvp.kpi.ua/media/metodi/dop_materiali_nanotech_med_pb_3.pdf

Balázs, B.Z., Geier, N., Takács, M. et al. (2020), «A review on micro–milling: recent advances and future trends», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 112, pp. 655–684, doi: 10.1007/s00170-020-06445-w.

Venkatesh, V. et al. (2016), «Review on the machining characteristics and research prospects of conventional microscale machining operations», Materials and Manufacturing Processes, Vol. 32, No. 3, pp. 235–262, doi: 10.1080/10426914.2016.1151045.

Wayne, N.P. Hung and Corliss, M. (2019), «Micromachining of Advanced Materials», Micromachining, doi: 10.5772/intechopen.89432.

Thepsonthi, T. (2014), «Modeling and optimization of micro-end milling process for micro-manufacturing», Ph.D. Thesis of dissertation, Rutgers University-New Brunswick, USA.

O’Toole, L. et al. (2020), «Precision micro–milling process: state of the art», Advances in Manufacturing, Vol. 9, pp. 173–205, doi: 10.1007/s40436–020–00323–0.

Balázs, B.Z. and Takács, M. (2020), «Experimental investigation and optimisation of the micro milling process of hardened hot-work tool steel», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 106, No. 11–12, pp. 5289–5305, doi: 10.1007/s00170-020-04991-x.

Chen, N. et al. (2020), «Design, optimization and manufacturing of polycrystalline diamond micro-end-mill for micro-milling of GH4169», Diamond and Related Materials, Vol. 108, p. 107915, doi: 10.1016/j.diamond.2020.107915.

Zhang, X. et al. (2016), «Cutting forces in micro-end-milling processes», International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 107, pp. 21–40, doi: 10.1016/j.ijmachtools.2016.04.012.

Aramcharoen, A. and Mativenga, P.T. (2009), «Size effect and tool geometry in micromilling of tool steel», Precision Engineering, Vol. 33, No. 4, pp. 402–407, doi: 10.1016/j.precisioneng.2008.11.002.

Vipindas, K. et al. (2018), «Effect of cutting edge radius on micro end milling: force analysis, surface roughness, and chip formation», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 97, No. 1–4, pp. 711–722, doi: 10.1007/s00170-018-1877-1.

Dib M.H.M. et al. (2018), «Minimum chip thickness determination by means of cutting force signal in micro endmilling», Precision Engineering, Vol. 51, pp. 244–262, doi: 10.1016/j.precisioneng.2017.08.016.

Liang, Y.C. et al. (2009), «Modeling and experimental analysis of microburr formation considering tool edge radius and tool-tip breakage in microend milling», Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, Vol. 27, No. 3, pp. 1531–1535, doi: 10.1116/1.3046147.

Aramcharoen, A. et al. (2008), «Evaluation and selection of hard coatings for micro milling of hardened tool steel», International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 48, No. 14, pp. 1578–1584, doi: 10.1016/j.ijmachtools.2008.05.011.

Ucun, İ. et al. (2013), «An experimental investigation of the effect of coating material on tool wear in micro milling of Inconel 718 super alloy», Wear, Vol. 300, No. 1–2, pp. 8–19, doi: 10.1016/j.wear.2013.01.103.

Danish, M. et al. (2022), «An Experimental Investigations on Effects of Cooling/Lubrication Conditions In Micro Milling Of Additively Manufactured Inconel 718», Tribology International, pp. 107620, doi: 10.1016/j.triboint.2022.107620.

Ucun, İ. et al. (2014), «The effect of minimum quantity lubrication and cryogenic pre-cooling on cutting performance in the micro milling of Inconel 718», Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B, Journal of Engineering Manufacture, Vol. 229, No. 12, pp. 2134–2143, doi: 10.1177/0954405414546144.

Chae, J. et al. (2006), «Investigation of micro–cutting operations», International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 46, No. 3–4, pp. 313–332, doi: 10.1016/j.ijmachtools.2005.05.015.

KERN Micro- und Feinwerktechnik, [Online], available at: www.kern-microtechnic.com

NANOWAVE MTS5R, [Online], available at: http://www.nanowave.co.jp/product/mts5r.html

Ma, L. et al. (2020), «Experimental Investigation of Cutting Vibration during Micro-End-Milling of the Straight Groove», Micromachines, Vol. 11, No. 5, pp. 494, doi: 10.3390/mi11050494.

Mokhtari, A. et al. (2019), «Size dependent vibration analysis of micro-milling operations with process damping and structural nonlinearities», European Journal of Mechanics - A/Solids, Vol. 76, pp. 57–69, doi: 10.1016/j.euromechsol.2019.03.009.

Jing, X. et al. (2020), «Modelling and experimental analysis of the effects of run out, minimum chip thickness and elastic recovery on the cutting force in micro-end-milling», International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 176, pp. 105540, doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105540.

Saptaji, K. and Subbiah, S. (2017), «Burr Reduction of Micro-milled Microfluidic Channels Mould Using a Tapered Tool», Procedia Engineering, Vol. 184, pp. 137–144, doi: 10.1016/j.proeng.2017.04.078.

Yang, M. et al. (2019), «Study on the surface damage mechanism of monocrystalline silicon in micro ball-end milling», Precision Engineering, Vol. 56, pp. 223–234, doi: 10.1016/j.precisioneng.2018.12.003.

TOPINCITY, [Online], available at: http://www.topincity.com.ua

Zhan, Z. et al. (2014), «An experimental study on grinding parameters for manufacturing PCD micro–milling tool», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 73, No. 9–12, pp. 1799–1806, doi: 10.1007/s00170–014–5969–2.

MSK Tools, [Online], available at: https://www.mskpcdtools.com/PCD-Tools-Half-Ball-Cutter-pd40806101.html

Biermann, D. et al. (2013), «Investigation of Different Hard Coatings for Micromilling of Austenitic Stainless Steel», Procedia CIRP, Vol. 7, pp. 246–251, doi: 10.1016/j.procir.2013.05.042.

Wojciechowski, S. et al. (2019), «Prediction of cutting forces during micro end milling considering chip thickness accumulation», International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 147, pp. 103466, doi: 10.1016/j.ijmachtools.2019.103466.

Sahoo, P. et al. (2020), «Determination of minimum uncut chip thickness and size effects in micro-milling of P-20 die steel using surface quality and process signal parameters», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 106, No. 11–12, pp. 4675–4691, doi: 10.1007/s00170-020-04926-6.

Gao, S. et al. (2016), «Research on specific cutting energy and parameter optimization in micro-milling of heat-resistant stainless steel», The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 89, No. 1–4, pp. 191–205, doi: 10.1007/s00170-016-9062-x.

Weule, H., Hüntrup, V. and Tritschler, H. (2001), «Micro-Cutting of Steel to Meet New Requirements in Miniaturization», CIRP Annals, Vol. 50, No. 1, pp. 61–64, doi: 10.1016/s0007-8506(07)62071-x.

Mittal, R.K. et al. (2017), «Effect of lubrication on machining response and dynamic instability in high-speed micromilling of Ti-6Al-4V», Journal of Manufacturing Processes, Vol. 28, pp. 413–421, doi: 10.1016/j.jmapro.2017.04.007.

Saha, S. et al. (2020), «An analytical approach to assess the variation of lubricant supply to the cutting tool during MQL assisted high speed micromilling», Journal of Materials Processing Technology, Vol. 285, pp. 116783, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116783.

Yang, X. et al. (2020), «Machinability investigation and sustainability analysis of minimum quantity lubrication–assisted micro-milling process», Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B, Journal of Engineering Manufacture, Vol. 234, No. 11, pp. 1388–1401, doi: 10.1177/0954405420921727.