Usinagem de ultraprecisão refere-se a processos de fabricação de precisão que atingem níveis extremamente altos de precisão e qualidade de superfície. Sua definição é relativa, mudando com os avanços tecnológicos.
Atualmente, esta técnica pode atingir dimensões e formas submicrométricas e até mesmo nanométricas, com rugosidade superficial na escala nanométrica. Os métodos de usinagem de ultraprecisão incluem corte de ultraprecisão (como torneamento e fresamento de ultraprecisão), retificação de ultraprecisão, lapidação de ultraprecisão e processamento especial de ultraprecisão.
Corte de ultraprecisão
O corte de ultraprecisão envolve principalmente o torneamento com ferramentas diamantadas, usadas principalmente para usinagem de ligas não ferrosas, vidro óptico, mármore e materiais não metálicos, como placas de fibra de carbono. A alta precisão alcançada no corte de ultraprecisão se deve à baixa afinidade entre ferramentas diamantadas e ligas não ferrosas, além de sua excelente dureza, resistência ao desgaste e condutividade térmica.
Além disso, no corte de ultraprecisão, são adotados rolamentos pneumáticos de alta precisão, guias flutuantes de ar, componentes de detecção de posicionamento e medidas como temperatura constante, isolamento de vibração e amortecimento de vibração.
Isso garante um valor Ra de rugosidade superficial inferior a 0,025 μm e uma precisão geométrica de até 0,1 μm, tornando o corte de ultraprecisão cada vez mais popular em aplicações aeroespaciais, ópticas e civis, avançando em direção a maior precisão.
Moagem de ultraprecisão
A retificação de ultraprecisão é um método de processamento de nível submícron, progredindo em direção ao nível nanométrico. Refere-se a um método de retificação que atinge uma precisão de processamento de 0,1 μm ou superior e um valor Ra de rugosidade superficial abaixo de 0,025 μm, adequado para processar materiais duros e quebradiços como aço, cerâmica e vidro.
Os processos tradicionais de retificação e polimento podem ser eliminados por meio de retificação de ultraprecisão para atingir a rugosidade superficial necessária. Além de garantir formas e dimensões geométricas precisas, a rugosidade superficial espelhada pode ser obtida por meio de retificação de ultraprecisão.
Lapidação de ultraprecisão
A lapidação de ultraprecisão inclui lapidação mecânica, lapidação químico-mecânica, lapidação flutuante, usinagem de emissão elástica e lapidação magnética. A tolerância de desvio esférico de peças processadas por lapidação de ultraprecisão pode chegar a 0,025 μm, e o valor Ra de rugosidade da superfície pode chegar a 0,003 μm.
As principais condições para lapidação de ultraprecisão são controle preciso de temperatura, processamento sem vibração, ambiente limpo e partículas abrasivas pequenas e uniformes. Métodos de detecção de alta precisão também são indispensáveis.
Processamento especial de ultraprecisão
A tecnologia de processamento especial de ultraprecisão é reconhecida internacionalmente como uma das tecnologias mais promissoras do século XXI. Refere-se a métodos de processamento que utilizam formas de energia como energia elétrica, térmica, óptica, eletroquímica, química, acústica e mecânica especial para remover ou adicionar material.
Os principais objetos de aplicação incluem materiais difíceis de processar (como ligas de titânio, aço inoxidável resistente ao calor, aço de alta resistência, compósitos, cerâmica de engenharia, diamante, rubi, vidro endurecido e outros materiais de alta dureza e alta tenacidade, materiais de alta resistência e alto ponto de fusão), peças difíceis de processar (como cavidades tridimensionais complexas, furos, furos de grupo e ranhuras estreitas), peças de baixa rigidez (como peças de paredes finas, elementos elásticos), e processos que alcançam soldagem, corte, furação, pulverização, modificação de superfície, ataque químico e processamento fino com feixes de alta densidade de energia.
Esses métodos de processamento incluem tecnologia de processamento a laser, tecnologia de processamento por feixe de elétrons, tecnologia de processamento por feixe de íons e plasma, tecnologia de processamento elétrico, etc., com apenas uma breve introdução aqui.
Processamento a laser
O processamento a laser envolve um gerador de laser que foca luz laser de alta densidade de energia na superfície de uma peça de trabalho. A energia luminosa absorvida transforma-se instantaneamente em energia térmica, que, com base na sua densidade, pode atingir perfuração, corte de precisão e produção de micro marcas anti-falsificação.
Com o rápido desenvolvimento de equipamentos e tecnologia de processamento de laser, surgiram lasers de alta potência de mais de 100 kW e lasers de estado sólido de alto feixe de nível de quilowatt, equipados com fibra óptica para trabalhos de longa distância e multiestações.
Devido ao alto nível de potência e automação dos equipamentos de processamento a laser, o controle CNC e a ligação multicoordenadas são amplamente adotados, equipados com sistemas auxiliares como monitoramento de potência do laser, foco automático e exibição de televisão industrial. Atualmente, o diâmetro mínimo do furo alcançado pela perfuração a laser é de 0,002 mm, a velocidade de corte a laser de materiais finos pode chegar a 15 m/min e a folga de corte é de apenas entre 0,1-1 mm.
As aplicações de fortalecimento de superfície a laser, refusão de superfície, ligas e tecnologia de processamento amorfo estão se tornando cada vez mais difundidas, e o microprocessamento a laser em eletrônica, biologia e engenharia médica tornou-se uma tecnologia de processamento especial insubstituível.
Processamento de feixe de elétrons
O processamento do feixe de elétrons envolve a emissão contínua de elétrons negativos do cátodo para o ânodo no vácuo. Os elétrons aceleram e se concentram em um feixe de elétrons muito fino e de alta densidade de energia durante a transição do cátodo para o ânodo. Quando elétrons em alta velocidade atingem a superfície da peça de trabalho, sua energia cinética se transforma em energia térmica, fazendo com que o material derreta e vaporize, sendo então removido do vácuo.
O controle da força e da direção de deflexão do feixe de elétrons, combinado com o deslocamento de controle numérico da bancada nas direções x e y (usando controle CNC e ligação multicoordenada), pode obter puncionamento, corte de formação, gravação, exposição de fotolitografia e outros processos.
A tecnologia de processamento de feixe de elétrons está amadurecendo internacionalmente e é amplamente utilizada para a soldagem combinada de grandes estruturas de componentes principais de suporte de carga, como foguetes de lançamento e espaçonaves, bem como a fabricação de peças estruturais importantes, como vigas de aeronaves, estruturas, componentes de trem de pouso, motores. rotores integrais, carcaças, eixos de transmissão e vasos de pressão para dispositivos de energia nuclear.
A fabricação de circuitos integrados também adota amplamente a exposição à fotolitografia por feixe de elétrons, que tem um comprimento de onda muito mais curto que a luz visível, alcançando uma resolução de padrão de linha de 0,25 μm.
Processamento de feixe de íons
O processamento de feixe de íons envolve acelerar e focar íons produzidos por uma fonte de íons no vácuo para atingir a superfície de uma peça de trabalho. Comparado ao processamento por feixe de elétrons, como os íons carregam uma carga positiva e sua massa é milhões de vezes maior que a dos elétrons, eles podem ganhar maior energia cinética após a aceleração.
Eles dependem da energia microscópica de impacto mecânico em vez de converter energia cinética em energia térmica para processar a peça. O processamento por feixe de íons pode ser usado para gravação de superfície, limpeza ultralimpa e corte em nível atômico/molecular.
Usinagem de Micro Descargas Elétricas
A usinagem por micro descarga elétrica envolve a remoção de metal em um fluido de trabalho isolante através de uma alta temperatura localizada causada por uma descarga de faísca pulsada entre um eletrodo da ferramenta e uma peça de trabalho. O processo não envolve forças de corte macroscópicas; o controle preciso da energia de descarga de pulso único combinado com a microalimentação precisa pode remover materiais metálicos extremamente finos.
Pode processar microeixos, furos, ranhuras estreitas, superfícies planas e curvas. A modelagem EDM de última geração e o corte de fio podem fornecer precisão de processamento em nível micrométrico, capaz de processar um microeixo de 3um e um furo de 5μm.
Processamento microeletrolítico
O processamento microeletrolítico envolve a decomposição da água em íons hidrogênio e íons hidroxila em um fluido de trabalho condutor. Os átomos metálicos na superfície da peça, servindo como ânodo, tornam-se cátions metálicos e se dissolvem no eletrólito, sendo gradativamente eletrolisados. Estes então reagem com os íons hidroxila no eletrólito para formar precipitados de hidróxido metálico, enquanto o cátodo da ferramenta não se desgasta.
Também não há forças de corte macroscópicas entre a ferramenta e a peça no processo de processamento. Ao controlar com precisão a densidade de corrente e a localização da eletrólise, o processamento eletrolítico de precisão em nível nanométrico pode ser alcançado e a superfície não terá estresse de processamento.
O processamento microeletrolítico é frequentemente usado para polimento espelhado, desbaste de precisão e situações que exigem processamento sem estresse. As aplicações de processamento eletrolítico são amplas, estendendo-se desde pás e impulsores integrais até carcaças, componentes de anel de disco e processamento profundo de pequenos furos.
Espelhos refletivos de metal de alta precisão podem ser processados usando processamento eletrolítico. Atualmente, a capacidade máxima de corrente das máquinas de processamento eletrolítico atingiu 50.000A, e o controle CNC e o controle adaptativo multiparâmetro foram implementados.
Processamento Composto
O processamento composto refere-se a tecnologias de processamento que utilizam diversas formas e métodos diferentes de energia, combinando suas vantagens, por exemplo, retificação eletrolítica, processamento eletrolítico ultrassônico, retificação eletrolítica ultrassônica, descarga elétrica ultrassônica, corte ultrassônico, etc.
O processamento composto é mais eficaz e tem uma gama de aplicações mais ampla do que os métodos de processamento único.
