聚焦微型激光加工

公司通常会努力利用自身的专业知识和独特性。因此，当一家微型制造零件的设计和工程公司意识到，将机床和激光加工设备引入公司内部，对测试零件进行编程和切削，可以更高效地帮助客户时，公司老板知道这是正确的选择。Grzegorz Nowobilski逐渐认识到这是在这一利基制造领域发展的机会，因为没有多少数控加工厂有能力生产这些非常小而复杂的零件。

事实上，在为GF加工方案担任顾问期间，Nowobilski帮助设计了Microlution ML-5 飞秒微型激光加工机。现在，他在位于伊利诺伊州莫肯纳的Sunlight-Tech公司自己的加工车间里拥有一台带3D定位功能的五轴扫描设备和一台三轴运动模型。这些专为加工小型零件而设计的微型激光机扩大了公司的服务范围，可以生产传统数控机床或线切割机床无法加工的复杂零件。

“对于盲孔特征，我们可以在ML-5上加工到5-10μm深，”Nowobilski说，“但我们无法在标准数控铣床上做到这一点。在电火花加工机床上或许可以做到，但特征质量无法与ML-5飞秒激光器所能达到的质量相提并论。”

Sunlight-Tech公司的微型激光机公差通常在1-5μm之间，可以切削所有金属、陶瓷和其他材料上的极小孔或盲孔以及复杂形状。该公司主要为各行各业的客户切削不锈钢。该技术可实现全自动化，通常一次操作就能完成整个零件的加工，省去了二次操作。该技术还使公司得以进入新市场，并降低了为新客户生产零件的成本。

微铣削加工

作为Sunlight-Tech公司的顾问，Nowobilski于2010年开始与GF加工方案的工程师团队合作，在该公司的微型铣床上试验切削汽车不锈钢零件。随着客户需求的发展，公司需要更大的空间，也需要数控铣床来完成客户的精密零件。2018年，公司搬进了一个更大的厂房，并逐步购置了3台KITAMURA数控铣床、1台OKUMA车床和1台Micro Dynamics 4+1轴数控加工中心。

同年，该公司购买了第一台带3D定位功能的微动五轴扫描设备，以增强其能力。2年后，该公司又投资购买了1台三轴扫描设备。

使用GF加工方案的最大优势在于能够加工出如此复杂的形状和高质量的零件。从手表齿轮、过滤系统到弹簧，都可以在ML-5上进行激光加工，公差范围在1-5μm之间。

除了2台飞秒激光加工机外，车间现在还配备了1台Microlution 5100五轴微型铣床。据Nowobilski称，该机器用于生产数控机床无法切削的微型零件，以及为在ML-5上运行的零件制作精密夹具。

所有1台微型机床、2台微型激光机和1台微型铣床——都安装在Sunlight-Tech公司的一个温控室内。这些机器上生产的零件的质量设备包括1台蔡司O-Inspect CMM和2台基恩士显微镜，它们也放在这个房间里。

非常规小零件加工

Sunlight-Tech公司的客户群包括医疗、钟表、汽车、航空、航天等行业，其微型激光加工能力超越了传统数控机床和电火花加工机床的局限。ML-5上的五轴飞秒激光可在几乎任何材料上加工出圆形以外的无毛刺微特征，同时保持大多数精密车削车间无法达到的严格公差。

例如，通常公差在1-5μm之间的车间可以用ML-5加工出带正负锥度和直壁的通孔。它还能在工件上切削出独特的形状，如椭圆形、正方形、三角形、星形和其他形状。

虽然大多数激光加工机都能加工出独特的形状，但ML-5是专为复杂、微小的零件加工而设计的，其加工速度可达到批量生产的水平。GF加工方案激光设备销售主管Mike Lerner解释说：“这台机器是在一张白纸上设计出来的，目的是最大限度地提高热稳定性和惯性稳定性，实现快速加速。快速加速正是生产小型零件所需要的。”

然而，由于微型激光加工机的复杂性，它们并不是为大批量生产而设计的，许多精密机械加工厂都是这样生产的。Nowobilski说：“我们可以一批生产几千个零件，没有问题。但如果批量达到10万件，我们就没有相应的结构了。”

车间的ML-5配备了一个测头，用于在机床内测量工件。Nowobilski说，如果车间要切削的工件无法用测头测量，安装在机床内部的摄像头可以扫描工件表面，从而实现超出标准测量的程序功能。测头无法触及的表面可以用照相机扫描，以发现特征位置的特征特性，或单独进行测量。他解释说：“我可以测量孔以找到中心点，然后照相机会拍摄孔中心的照片。然后，照片就会显示在人机界面上方的显示器上。”

非常规结果

Sunlight-Tech公司从微型激光加工机的结构中获益匪浅，这也是该工艺的独特之处。根据GF加工方案的说法，这项技术的加工速度比传统加工工艺快3倍，因为在设计上没有通常困扰数控机床的障碍和痛点。例如，微型激光设备具有高精度和可重复性，因为微型激光加工过程不涉及任何传统工具，这意味着没有工具磨损或交叉污染。加工过程也不会在机器内产生加热区。内置冷却系统（由风扇、热交换器和遍布机床的冷却回路组成）可稳定温度，实现稳定的轴运动。此外，由于机床内没有金属加工液，因此工件非常干净。这对于加工医疗和汽车行业等有严格清洁要求的敏感零件尤其有利。

据Nowobilski称，ML-5还能获得比数控加工零件更好的表面光洁度。配备飞秒激光器的机器的Z轴运动可实现精确的钻孔、切削和微加工，而传统的数控切削工具无法实现这些功能。此外，机床内的五轴运动可以控制激光锥度，从而使零件无毛刺。

三步编程

Nowobilski表示，ML-5的编程和设置比普通数控机床的编程更复杂。加工前需要设置3个不同的程序。而且，根据需要保持的公差，设置加工一个孔的程序可能需要数天时间。

首先，必须将激光器调整到正确的设置；其次，设置激光扫描头并对其进行编程，以切削所需的特征；最后，必须使用G代码对机器本身进行编程，以定位特征并知道何时关闭和开启。Nowobilski解释说，在设置过程之前，与客户的沟通对于在加工过程中高效过程中实现最精确的特征至关重要。一旦Sunlight-Tech公司从客户处获得试切检查的许可，车间就开始使用客户的材料进行加工，以获得最佳效果。

这个设置过程可能需要一天到几天的时间才能完成。Sunlight-Tech公司的应用工程师Kelsey Humble介绍了典型的时间框架。她说：“要达到1μm，需要更多时间来确保机器稳定。以这种公差加工一个孔可能需要4-5天的时间。亚微米公差需要更长的时间，但也是可以做到的。”

尽管客户要求的某些公差会导致设置非常严格，但Humble说ML-5总体上对用户非常友好。她解释说，在这台机床上，从一个项目过渡到另一个项目非常简单，因为她经常可以使用类似的设置，而且她需要做的更改可以在人机界面上快速完成。

Humble具有数控加工背景，她在3个月内就学会了如何编程和操作机床。她说：“这台机器给我留下深刻印象的是它的所有功能。有这么多的选项，你可以对程序进行更改。我还没来得及玩遍机器上的所有功能呢。”

此外，ML-5为车间带来了很多机会，Nowobilski正计划在他拥有的这台机器达到产能后，立即购买更多这样的机器。他相信公司未来的成功在于激光加工。

□作者：Lori Beckman

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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