jump to navigation

เทคโนโลยีการตัดเฉือนวัสดุ: เครื่องมือตัดขนาดเล็ก December 29, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

การผลิตเครื่องมือตัดชนิด Carbides สำหรับใช้ในกระบวนการตัดระดับไมครอน เช่น Micro-milling หรือ Micro-drilling ขนาดผลึก (Grain) ของ Carbides ที่นำมาใช้ขึ้นรูปจะต้องเล็กกว่าขนาดของเครื่องมือตัด ซึ่งโดยทั่วไป ขนาดผลึกที่นำมาใช้จะอยู่ในช่วง 0.5μm ถึง 0.9μm

เนื่องจากความต้องการในการตัดขึ้นรูปชิ้นงานขนาดเล็กที่สูงมากขึ้น สอดคล้องไปกับการพัฒนาด้านไมโครและนาโนเทคโนโลยี ประกอบกับการพัฒนาด้านวัสดุและการออกแบบเครื่องมือตัดขนาดเล็กที่ก่อให้เกิดแรงในการตัดที่ต่ำและเครื่องมือตัดมีอายุการใช้งานที่ยาวนานมากขึ้น การผลิตเครื่องมือตัดขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับใช้ในการตัดเฉือนวัสดุจึงมีส่วนอย่างมากในการผลักดันขีดจำกัดด้านขนาดและการผลิตชิ้นงานที่เล็กลง (Miniaturization) ให้มีความเป็นไปได้มากยิ่งขึ้น

การใช้ผลึก Carbides ที่มีขนาดเล็กลงในการผลิตเครื่องมือตัดขนาดเล็กจะช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานการแตกหักได้ดี อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันเครื่องมือตัดส่วนใหญ่จะผลิตโดยใช้ผลึก Carbides ที่มีขนาดใหญ่กว่า 0.4μm ดังนั้น การใช้ Carbides ที่มีขนาดเล็กกว่านี้จึงถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ

ผลึก Carbides ที่มีความละเอียดมากๆ (Ultrafine grades) ซึ่งมีขนาดอยู่ในช่วง 0.2μm ถึง 0.5μm จึงเป็นกุญแจที่สำคัญในการผลิตเครื่องมือตัดขนาดเล็ก อย่าง Micro-endmills ให้มีขนาดเล็กลงและมีคมตัดที่แหลมคมมากขึ้น อย่างไรก็ตาม การใช้ Ultrafine-grain carbide ก็ไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาเรื่องการแตกหักของเครื่องมือตัดได้อย่างชัดเจนนัก การที่เครื่องมือตัดมีความแข็ง (Hardness) มากขึ้น จะส่งผลให้ตัวเครื่องมือตัดมี Rigidity ที่สูงขึ้น แต่ในทางกลับกันก็เป็นตัวเร่งให้การแตกหักมีโอกาสเกิดที่สูงมากขึ้นตามไปด้วย การลดโอกาสในการแตกหักของเครื่องมือตัดที่ให้ผลได้อย่างชัดเจนคือการเพิ่ม Toughness ให้กับตัวเครื่องมือตัดโดยการใช้ตัวประสาน (Binder) ที่เหมาะสมและมีปริมาณเพียงพอในการยึดจับ Carbide particles เข้าไว้ด้วยกัน

ผลที่ได้จากการใช้ Ultrafine-grain carbide อีกประการหนึ่งคือ คมตัดที่ได้จะมีความแหลมมากขึ้น ผิวของเครื่องมือตัดมีความเรียบมากขึ้น ทำให้เศษตัดไหลตัวออกได้ดี ส่งผลให้แรงที่เกิดขึ้นในการตัดต่ำลง

อย่างไรก็ตาม ด้วยกระบวนการอบ Sintering ที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือตัดชนิด Carbides จะทำให้ผลึก Carbide ที่ได้โตขึ้น โดยในระหว่างที่ผลึก Tungsten carbides อยู่ในสถานะที่เป็นของเหลวในกระบวนการ Sintering นั้น Tungsten จะเกิดการละลายเข้ากับ Cobalt ที่ทำหน้าที่เป็นตัวประสาน และเมื่อเย็นตัวลง Tungsten ก็จะแยกตัวออกมาจาก Cobalt และทำให้ผลึก Carbides โดยรอบอื่นๆ โตขึ้น (Grain growth) ผลกระทบที่ตามมาคือคุณสมบัติทางกลที่ได้เปลี่ยนไปและขนาดผลึกที่โตขึ้นยังส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องมือตัดที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้

ผู้ผลิตเครื่องมือตัดบางรายใช้เทคโนโลยีไมโครเวฟในการจำกัดการขยายขนาดของผลึกโดยการเพิ่มความเร็วในกระบวนการ Sintering ให้สูงขึ้น การใส่สารเติมแต่งอย่าง Vanadium carbide และ Chromium carbide ก็สามารถช่วยลดความเร็วในการขยายขนาดของผลึกได้อีกทางหนึ่ง

อีกประเด็นที่มีผลต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือตัดคือ การกระจายตัวของ Carbides ในเนื้อวัสดุ หากขอบของผลึก (Grain boundary) อยู่ที่ขอบของคมตัดพอดีจะทำให้เครื่องมือตัดที่ได้มีความแข็งแรงและลดโอกาสในการแตกหักได้ดีกว่าการที่ตำแหน่งของ Grain boundary อยู่ที่ตำแหน่งอื่นในเนื้อโครงสร้างของเครื่องมือตัด

การใช้ผลึก Carbides ที่มีความละเอียดมากขึ้น จะช่วยให้เนื้อโครงสร้างวัสดุของเครื่องมือตัดมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ส่งผลให้การแตกหักหรือการสึกหรอเกิดขึ้นได้ช้าลง ด้วยเหตุนี้ การใช้ Ultrafine carbide ที่มีขนาดเล็กกว่า 0.4μm และไม่มีปัญหาเรื่องของการขยายขนาดของผลึกในระหว่างการผลิต จึงเป็นก้าวที่สำคัญในการลดโอกาสการแตกหักและเพิ่มอายุการใช้งานของเครื่องมือตัดขนาดเล็กได้

ในปัจจุบัน Micro endmill tool ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5μm สามารถผลิตได้แล้ว และหากต้องการผลิตเครื่องมือตัดที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 2μm Carbides ที่ใช้จึงควรมีขนาด ประมาณ 0.2μm (หน้าตัดของเครื่องมือตัดมี Carbides ต่อกันประมาณ 10 ผลึก) หากใช้ผลึกที่ใหญ่กว่านี้จะทำให้เครื่องมือตัดมีคุณภาพต่ำลงอันเนื่องมาจากขนาดของผลึกและตำแหน่งของขอบผลึกในเนื้อโครงสร้างของเครื่องมือตัด

Rigidity ของเครื่องมือตัดขนาดเล็กก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ผู้ผลิตเครื่องมือตัดต้องพิจารณา นอกจากการเลือกใช้ผลึก Carbides ที่มีขนาดเหมาะสมแล้ว การออกแบบขนาด Core diameter ของเครื่องมือตัดก็มีความสำคัญเช่นกัน เครื่องมือตัดที่ออกแบบมาสำหรับใช้ในการตัดเฉือนวัสดุที่มีความแข็งสูงควรมีขนาด Core diameter ประมาณ 60% ของ Tool diameter และประมาณ 50% สำหรับใช้ในการตัดเฉือนวัสดุอ่อน

Ref: http://www.emuge.com/news_events/micro_machining_end_mills.html


Tags: , , ,

Related posts:

EDMing Chronology December 29, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

The following sequence illustrates the basic EDM pulse cycle of a complete ionization and discharge:

1. Ionization. High-voltage pulse forms discharge channel in dielectric fluid.

2. Discharge. The voltage decreases and current flows through the discharge channel, where the workpiece is melted at contact point and
hydrogen gas bubbles are generated.

3. Resting cycle. Low-voltage current is shut off, the gas bubble implodes, the molten material globule is cooled by dielectric fluid, and instantaneous cooling fractures a chip that the dielectric flushes away.


Tags: , ,

Related posts:

Micro-EDM: Dielectric oil matters December 29, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

The four basic functions of dielectric oil are:

1. Insulation. The dielectric must insulate the workpiece from the electrode. The disruptive electrical discharge must take place across a gap that is as narrow as possible. As gap width decreases, achievable process accuracy increases.

2. Ionization. Optimal conditions for the production of an electrical field must be created as quickly as possible, then a spark path must be provided. After the impulse, the spark path must be rapidly deionized or extinguished so the next discharge can be made. The dielectric must constrict the spark path to achieve high energy density, which also increases discharge efficiency.

3. Cooling. The EDM process involves elevated temperatures. Because the discharge spark has a temperature range of 8,000°C to 12,000°C when it punctures the workpiece, dielectric oil must cool both the workpiece and the electrode. In high-precision microEDMing, centralized dielectric chillers must be able to effectively remove absorbed heat from the dielectric oil to maintain overall operating temperatures within ±2°C — a critical factor in achieving part and feature accuracies below 2μm.

4. Removal of waste particles. Eroded material particles must be removed from the discharge area to avoid EDM process disruptions. Excess debris will “short circuit” the gap, decreasing process efficiency. A high-efficiency fluid filtration system must be part of any high-precision microEDM. Average particulate filtration media, used in-line with a standard dielectric reservoir, should be rated at 5μm to 8μm. If the EDM has a fine-hole machining option, a 1μm prefilter should be installed in the high-pressure pump reservoir.

Ref: Bradford, J.W. (2008). Low-viscosity dielectric oils improve microEDM operations. Micromanufacturing, Vol. 1(2), pp.8-11.


Tags: , ,

Related posts:

Bulk vs Surface Micromachining of Silicon December 28, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

Today, the shrinking size and growing need for sophisticated components used in all types of devices are fueling demand for fabrication techniques that can mass-produce parts ranging from a micron to a few millimeters.

An early method, bulk micromachining, involves coating and etching a silicon wafer that serves as the chip’s structure. The newer technique, called surface micromachining, involves deposition of silicon layers on a substrate’s surface to create the chip’s structure. It offers numerous advantages compared to bulk machining.

Bulk micromachining sculpts the moving pieces by removing material from a relatively thick substrate, which is not complementary to the demands of high-volume IC processes. Surface micromachining, on the other hand, involves depositing thin films on the substrate and then etching them. Surface micromachining typically allows production of structures 20 times smaller than the bulk method. It enables the most functionality and the highest performance in the smallest and most cost-effective package.

Ref: Kennedy, B. (2008). Additive value: New and revamped technologies for mass fabricating microparts. Micromanufacturing, Vol. 1(1), pp.24-28.


Tags: , , ,

Related posts:

EDM discharge dressing December 28, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

Using the EDM process to prepare the electrode geometry is becoming more common as the part and feature size requirements get smaller. Conventional machining processes can no longer provide the required feature size and definition of many microparts.

When EDMing parts smaller than 1mm × 1mm and part features smaller than 0.1mm × 0.1mm, the challenge of electrode-shape preparation becomes significant.

By holding an electrode for shaping, the vibration and heat generation can be difficult. An innovative remedy to these challenges is EDM discharge dressing. This approach involves applying an associated dressing block, or alternate device, mounted to the machine table to create an inverse geometry on the electrode or part mounted to the
machine spindle.

The dressing device can consist of one of many materials that exhibit lower wear characteristics than the material mounted to the spindle. Ideal wear ratios are 50 percent or less, relative to the amount of material that is removed from the spindle-mounted tool.

Commonly used dressing block materials are traveling brass wire, silver tungsten, copper tungsten and various types of tool steel capable of dressing the graphite tools mounted to the spindle. A relatively short aspect ratio (30:1 or less) of electrode could be effectively prepared.

Advantages of discharge dressing
- It is a highly repeatable process.
- Final tool runout will be no greater than that of the spindle-bearing runout of the machine used.
- Noncontact preparation of the spindle-mounted electrode will permit dressing to sizes less than 0.010mm.
- The entire dressing and machining process can be unmanned, thereby reducing overall part manufacturing costs.
- By implementing a precision guide, the tip of the electrode (or workpiece, if mounted in the spindle) can be accurately held in place during the machining process. This is especially crucial when producing long, small-diameter parts or pins.
- Parts with a high Rockwell hardness can be easily and accurately machined.
- The electrode tip is guided during dressing, eliminating vibration.
Ultrasmall electrode diameters (as small as 0.005mm) can
be EDM-dressed to sizes not commercially available.
- Unlimited shapes and geometries can be produced with contour machining programs.
- The workpiece can be mounted to the spindle and EDMed to size by a traveling wire mounted to the worktable.

Ref: Bradford, J.W. (2008). Discharge dressing prepares electrodes, workpieces for microEDMing. Micromanufacturing, Vol. 1(1), pp.10-11.


Tags: , , , ,

Related posts:

Zeitgeist 2012: Year In Review December 15, 2012

Posted by viboon in : Uncategorized , add a comment


Tags: , ,

Related posts:

Comparative Cutting: Waterjets, Lasers, and Plasma November 14, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

Rapid advances in technology can make it quite difficult to decide which cutting method is the most beneficial for your shop and your applications. Hopefully the following discussion can be used as a guide to help you decide what type of cutting system to purchase based upon comparisons against material type, thickness, accuracy, cutting speed, operating cost and capital investment for each process.

Plasma Technology

Plasma cutting burns or melts through material using a high temperature ionized gas arc. A high velocity jet of plasma is delivered to the work piece so that the electrical arc can melt the metal. The gas is used to blow the molten material away.

This technology cuts ferrous and non-ferrous materials, but it is primarily best for cutting steel, stainless steel and aluminum. It performs best when cutting through thicknesses of 0.040 in to 1.25 in for mild carbon steel and 0.040 in to 5 in for both stainless and aluminum. Plasma applications have a mediocre to good surface finish and operate within a large heat affected zone (HAZ). High definition plasma uses higher amperage (up to 1000 amps) and improved nozzle technology to produce better cuts.

The standard process performs fair to good on fine feature cutting. Plasma tends to create large kerf with potential dross, depending on cutting speed, arc current (amperage), gas selection, and the type and thickness of metal. Too high or too low a cutting speed causes dross, but typically a “window” exists that provides dross-free or minimum dross cuts. Undesired beveling angle and taper may occur on corners and bevels, depending on torch squareness, the direction of the cut, standoff and cutting speed. For all of these reasons, secondary operations may be required.

Plasma cutting speed is typically very fast, and additional cutting heads can be added to increase the net feed rate across the surface area of the material. Higher power provides faster cutting capabilities. However, plasma is limited on thickness of cut, and it is not possible to stack materials. With a capital investment of about $60k to over $300k, the typical cutting tolerance for plasma is .015 in to .030 in. For a high-definition process that tolerance narrows to .010 in to .015 in.

Laser Technology

Laser technology melts through materials using the heat generated from a concentrated light beam. With a focal point of 0.05 cm, a 4 kW laser develops an intensity of 2.1 MW/cm2. Though best suited for cutting steel, stainless and aluminum, lasers can also cut a variety of other materials that fall generally in thicknesses of 1 in or less. A good to excellent surface finish can be achieved with a small HAZ.

The most popular laser technologies are solid state and CO2 in power ranges from 1.5 kW to those that use powerful 6 kW resonators. Lasers achieve good to excellent fine feature cutting with very small kerf. Also, a small amount of dross may be present, meaning secondary operations often are not required. Cutting speed is fast to very fast on material thickness less than ¼ in, especially steel.

Lasers are limited in their ability to cut thick material. For example, they can cut mild carbon steel up to 1.25 in, stainless steel up to 1 in and aluminum up to 0.75 in. They also experience process limitations due to their reflective and thermal conductive properties when cutting aluminum, brass, copper and titanium. A capital investment in this technology can run from around $400k to over $1 million for a typical cutting tolerance of .001 in to .003 in.

The Heat Affected Zone (HAZ) develops when metal is melted by the cutting process. The metal microstructure changes and develops microcracks and hardening. Slag formation and thermal deformation can develop. Structural components subject to large loads could experience catastrophic failure under a load stress. Hardening and slag formation cause excessive machining tool wear on secondary operations.

Waterjet Technology

Waterjet machining is an erosion process that operates like high-speed liquid sandpaper. Virtually any type of material, up to 24 inches thick, can be cut using a waterjet. This process typically gets a good to excellent surface finish with no heat affected zone. It performs good to excellent in fine feature cutting, with small kerf and no dross.

Angular compensation technology in waterjet processes provides greater part accuracy and faster cutting. For this reason, secondary operations are often not required. Waterjet cutting speeds are moderate to fast, depending on material thickness and machinability. The cutting head can significantly increase net cutting speed. By increasing the flowrate for higher pressure, cutting speeds get faster. Multiple cutting heads increase the net feed rate and stacking thin sheet material increases net cutting speed and net productivity.

Increased kinetic energy transfer in the abrasive particles results in more effective and more efficient use of the abrasives for cutting. Waterjet is versatile enough to cut any material at any thickness. In fact, it can cut thin gauge sheet metal over 24 inches thick. Capital investments typically range from $60k to over $300k for a standard cutting tolerance from .003 in to .005 in. A precision tolerance process narrows down to .001 in.


Process application by thickness and material type


Process application by thickness and cut speed.


Process application by thickness and precision


Process application by thickness and initial cost

Ref: http://weldcraft.blogspot.com/


Tags: , , , ,

Related posts:

การใช้ของเหลวช่วยในกระบวนการตัดด้วยเลเซอร์ (ตอนจบ) October 19, 2012

Posted by viboon in : Manufacturing technologies , add a comment

วิบุญ ตั้งวโรดมนุกูล (2012) การใช้ของเหลวช่วยในกระบวนการตัดด้วยเลเซอร์ (ตอนจบ), วารสารส่งเสริมเทคโนโลยี, June-July 2012, Vol.39 No.223, 78-80.


Tags: , , , , ,

Related posts: