Como a manufatura moderna alcança uma precisão quase perfeita? As técnicas de usinagem de ultraprecisão permitem uma precisão surpreendente, atingindo níveis submicrônicos e nanométricos. Este artigo explora métodos como corte de ultraprecisão, retificação, lapidação e tecnologias de processamento especiais. Os leitores aprenderão sobre as ferramentas e tecnologias que possibilitam essa precisão e os setores que se beneficiam desses avanços.
A 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, essa técnica pode atingir dimensões e formas submicrônicas e até mesmo nanométricas, com uma rugosidade de superfície 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.
O corte de ultraprecisão envolve principalmente o torneamento com ferramentas de diamante, usadas principalmente para usinagem de ligas não ferrosas, vidro óptico, mármore e materiais não metálicos, como placas de fibra de carbono. A alta precisão obtida no corte de ultraprecisão se deve à baixa afinidade entre as ferramentas de diamante e as ligas não ferrosas, além de sua excelente dureza, resistência ao desgaste e condutividade térmica.
Além disso, no corte de ultraprecisão, são adotados rolamentos de ar 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 de superfície 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 uma precisão mais alta.
A retificação de ultraprecisão é um método de processamento de nível submicrônico, que avança em direção ao nível nanométrico. Refere-se a um método de retificação que atinge uma precisão de processamento de 0,1 μm ou mais e um valor de rugosidade de superfície Ra abaixo de 0,025 μm, adequado para o processamento de materiais duros e frágeis, como aço, cerâmica e vidro.
Os processos tradicionais de esmerilhamento e polimento podem ser eliminados por meio do esmerilhamento de ultraprecisão para obter a rugosidade de superfície necessária. Além de garantir formas e dimensões geométricas precisas, a rugosidade da superfície espelhada pode ser obtida por meio da retificação de ultraprecisão.
O brunimento de ultraprecisão inclui brunimento mecânico, brunimento quimio-mecânico, brunimento flutuante, usinagem de emissão elástica e brunimento magnético. A tolerância de excentricidade esférica das 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 o brunimento de ultraprecisão são o controle preciso da temperatura, o processamento sem vibração, um ambiente limpo e partículas abrasivas pequenas e uniformes. Métodos de detecção de alta precisão também são indispensáveis.
A tecnologia de processamento especial de ultraprecisão é reconhecida internacionalmente como uma das tecnologias mais promissoras do século XXI. Ela se refere a métodos de processamento que usam formas de energia como elétrica, térmica, óptica, eletroquímica, química, acústica e energia mecânica especial para remover ou adicionar material.
Os principais objetos de aplicação incluem materiais de difícil processamento (como ligas de titânio, aço inoxidável resistente ao calor, aço de alta resistência, compostos, cerâmica de engenharia, diamante, rubi, vidro endurecido e outros materiais de alta dureza, alta tenacidade, alta resistência e alto ponto de fusão), peças de difícil processamento (como cavidades tridimensionais complexas, orifícios, orifícios de grupo e ranhuras estreitas), peças de baixa rigidez (como peças de paredes finas, elementos elásticos) e processos que realizam soldagem, corte, perfuração, pulverização, modificação de superfície, gravação e processamento fino com feixes de alta densidade de energia.
Esses métodos de processamento incluem a tecnologia de processamento a laser, a tecnologia de processamento de feixe de elétrons, a tecnologia de processamento de feixe de íons e plasma, a tecnologia de processamento elétrico, etc., com apenas uma breve introdução aqui.
O processamento a laser envolve um gerador de laser que focaliza a luz laser de alta densidade energética na superfície de uma peça de trabalho. A energia luminosa absorvida é instantaneamente transformada em energia térmica, que, com base em sua densidade, pode ser usada para perfurar, cortar com precisão e produzir micro marcas antifalsificação.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia e dos equipamentos de processamento a laser, surgiram lasers de alta potência de mais de 100 kW e lasers de estado sólido de feixe alto de nível quilowatt, equipados com fibra óptica para trabalho em várias estações e a longa distância.
Devido à alta potência e ao nível de automação do equipamento de processamento a laser, o controle CNC e a ligação de várias coordenadas são amplamente adotados, equipados com sistemas auxiliares, como monitoramento da potência do laser, foco automático e tela de televisão industrial. Atualmente, o diâmetro mínimo do furo obtido com a 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 0,1 a 1 mm.
As aplicações de reforço de superfície a laser, refusão de superfície, liga e tecnologia de processamento amorfo estão se tornando cada vez mais difundidas, e o microprocessamento a laser em eletrônica, biologia e engenharia médica se tornou uma tecnologia de processamento especial insubstituível.
O processamento de 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 os elétrons de 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 e, em seguida, seja removido do vácuo.
O controle da força e da direção de deflexão do feixe de elétrons, combinado com o deslocamento do controle numérico da bancada de trabalho nas direções x e y (usando o controle CNC e a ligação de várias coordenadas), pode realizar perfurações, cortes 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 dos principais componentes de suporte de carga, como foguetes de lançamento e naves espaciais, bem como para a fabricação de peças estruturais importantes, como vigas de aeronaves, estruturas, componentes de trem de pouso, rotores integrais de motores, carcaças, eixos de energia e vasos de pressão de dispositivos de energia nuclear.
A fabricação de circuitos integrados também adota amplamente a exposição de fotolitografia por feixe de elétrons, que tem um comprimento de onda muito menor do que a luz visível, alcançando uma resolução de padrão de linha de 0,25μm.
O processamento por feixe de íons envolve a aceleração e a focalização de íons produzidos por uma fonte de íons em um vácuo para atingir a superfície de uma peça de trabalho. Em comparação com o 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 mais energia cinética após a aceleração.
Eles dependem da energia de impacto mecânico microscópico em vez de converter a energia cinética em energia térmica para processar a peça de trabalho. O processamento por feixe de íons pode ser usado para gravação de superfícies, limpeza ultralimpa e corte em nível atômico/molecular.
A usinagem por microdescarga elétrica envolve a remoção de metal em um fluido de trabalho isolante por meio de uma alta temperatura localizada causada por uma descarga de faísca de pulso entre um eletrodo de 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.
Ele pode processar microeixos, furos, ranhuras estreitas, superfícies planas e curvas. A modelagem EDM de ponta e o corte de fio podem fornecer precisão de processamento em nível de micrômetro, capaz de processar um microeixo de 3um e um furo de 5μm.
O processamento microeletrolítico envolve a decomposição da água em íons de hidrogênio e íons de hidroxila em um fluido de trabalho condutor. Os átomos de metal na superfície da peça de trabalho, que serve como ânodo, tornam-se cátions metálicos e se dissolvem no eletrólito, sendo gradualmente eletrolisados. Em seguida, eles reagem com os íons de hidroxila no eletrólito para formar precipitados de hidróxido de metal, enquanto o cátodo da ferramenta não se desgasta.
Também não há forças de corte macroscópicas entre a ferramenta e a peça de trabalho no processo de processamento. Ao controlar com precisão a densidade da corrente e o local da eletrólise, é possível obter um processamento eletrolítico de precisão em nível nanométrico, e a superfície não sofrerá tensão de processamento.
O processamento microeletrolítico é frequentemente usado para polimento de espelhos, desbaste de precisão e situações que exigem processamento sem estresse. As aplicações do processamento eletrolítico são amplas e vão desde pás e impulsores integrais até carcaças, componentes de anéis de disco e processamento de pequenos orifícios profundos.
Os espelhos refletivos de metal de alta precisão podem ser processados por meio de processamento eletrolítico. Atualmente, a capacidade máxima de corrente das máquinas de processamento eletrolítico atingiu 50.000 A, e o controle CNC e o controle adaptativo multiparâmetro foram implementados.
O processamento composto refere-se a tecnologias de processamento que usam várias formas diferentes de energia e métodos, combinando suas vantagens, por exemplo, moagem eletrolítica, processamento eletrolítico ultrassônico, moagem eletrolítica ultrassônica, descarga elétrica ultrassônica, corte ultrassônico etc.
O processamento composto é mais eficaz e tem uma faixa de aplicação mais ampla do que os métodos de processamento individuais.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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