СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСВЕРЛА И МИКРОСВЕРЛО
METHOD OF PRODUCING MICRODRILL AND MICRODRILL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к микросверлу, которое применяется для обработки микроотверстий в печатных платах, точных пресс-формах и т.д., и способу его изготовления, в котором участок хвостовика, который поддерживает участок сверла, изготавливается из материала, отличного от материала участка сверла.
Уровень техники
Несмотря на то, что для обработки микроотверстий могут быть использованы электрический разряд, ультразвуковые волны, лазер и т.п., точная механическая обработка с использованием микросверла до настоящего времени применялась наиболее широко. Это имеет место благодаря тому, что обработка с использованием микросверла имеет преимущества, состоящие в том, что она используется для механической обработки отверстий более глубоких, чем возможны с использованием других способов, производит отверстие, имеющее высочайшую точность в прямолинейности, правильную округлость формы, параллельность, шероховатость поверхности и т.д., и облегчает финишную обработку, которая следует за механической обработкой. В частности, в электронике и компьютерной индустрии технология механической обработки микроотверстий применяется в основном в механической обработке печатных плат, фотошаблонов, которые применяются при изготовлении интегральных схем (ИС) и т.д. В ответ на возрастающую степень интеграции больших интегральных схем (БИС), требуется более высокая точность механической обработки и более высокая производительность, подлежащие реализации в силу различных причин, таких как уменьшение обрабатываемого отверстия, увеличение глубины по отношению к диаметру обрабатываемого отверстия (т.е. коэффициент соотношения размеров), высокая плотность печатных плат и т.д. Поскольку конкуренция в разработке микрокомпонентов, в которых интегрируются высокие функции, становится сильной, важность технологии механической обработки микроотверстий возрастает с каждым днем.
Такое микросверло, в целом, подразделяется на деталь сверла, которая обрабатывает отверстие, и деталь хвостовика, которая фиксируется в зажимном патроне высокооборотного двигателя. Способ производства традиционной техники включает в себя подготовку круглого прутка, имеющего предварительно определенный диаметр, спеканием сверхтвердого материала и формование круглого прутка таким образом, что он имеет участок сверла и участок хвостовика. При таком способе вся деталь микросверла изготавливается из сверхтвердого материала. Однако если используется большее количество сверхтвердого материала, стоимость производства возрастает. Поэтому, чтобы снизить стоимость, был представлен способ подготовки детали сверла, которая изготавливается из сверхтвердого материала, подготовки детали хвостовика, которая изготавливается из нержавеющей стали, например, STS 420J, и соединения детали хвостовика с деталью сверла.
В качестве примера способа производства микросверла изготовлением детали сверла и детали хвостовика из различных материалов, как показано на фиг.1, широко применяется способ механической обработки отверстия 62, в которое может быть посажен сверхтвердый пруток 80, в деталь хвостовика, прессовой посадки сверхтвердого прутка 80 в отверстие 62 при высокой температуре с использованием нагревательного прибора 70 и окончательной механической обработки режущей кромки 82 сверла.
Данный метод современной техники может уменьшить применение сверхтвердого материала на некоторое количество, поскольку деталь хвостовика изготавливается из нержавеющей стали. Однако данный способ по-прежнему вызывает потерю большого количества сверхтвердого материала, поскольку окончательный диаметр обработанного сверла 82 находится в диапазоне от 0.1 мм до 0.4 мм, тогда как диаметр прутка 80 из сверхтвердого материала составляет около 1.5 мм. Кроме того, поскольку нержавеющая сталь, используемая в детали хвостовика, является, в целом, хрупким материалом, имеющим высокую твердость, сформировать отверстие 62, в которое будет подгоняться сверхтвердый пруток в детали хвостовика 62, еще дороже, чем из обычной стали. Кроме того, чтобы посадить сверхтвердый пруток в деталь хвостовика, требуется произвести тонкую механическую обработку отверстия 62 в соответствии с диаметром сверхтвердого прутка. Однако образовать отверстие с тонкой обработкой в сверхтвердой нержавеющей стали, имеющее диаметр 1 мм или меньше, очень трудно, и требуется произвести нагрев до высокой температуры для соединения сверхтвердого материала с хвостовиком.
Раскрытие изобретения
Различные аспекты настоящего изобретения обеспечивают способ производства микросверла, в котором деталь хвостовика, которая поддерживает деталь сверла, может быть изготовлена из материала, который отличается от материала детали сверла и в котором обработка может быть упрощена.
Также обеспечивается способ производства микросверла, который может снизить стоимость производства за счет минимизации отхода дорогого сверхтвердого материала.
Кроме того, также обеспечиваются микросверло и способ его производства, в котором соединение между деталью сверла и деталью хвостовика обладает большей структурной устойчивостью, чем микросверло традиционной техники.
Техническое решение
С одной стороны настоящего изобретения, способ производства микросверла, которое включает в себя деталь сверла для механической обработки отверстия и деталь хвостовика, неподвижно связываемая с мотором, включает в себя следующие этапы: формирование прессованной порошковой детали сверла, имеющей углубление на одном ее конце, и прессованной порошковой детали хвостовика, имеющей выступ, предназначенный для подгонки в углубление прессованной порошковой детали сверла, причем деталь сверла и деталь хвостовика изготавливаются из разных материалов; формирование сборки из прессованной порошковой детали сверла и прессованной порошковой детали хвостовика, с выступом, посаженным в углубление; и одновременное спекание сборки из прессованной порошковой детали сверла и прессованной порошковой детали хвостовика.
В этом способе предпочтительно, чтобы размер внутреннего диаметра углубления, образованного в прессованной порошковой детали сверла, и размер внешнего диаметра выступа прессованной порошковой детали хвостовика определялись с учетом того, что после спекания прессованных порошковых деталей внутренний диаметр углубления становится меньше, чем внешний диаметр выступа. Прессованная порошковая деталь сверла может быть изготовлена, по меньшей мере, из одного материала, выбранного из группы, состоящей из порошка карбида вольфрама, порошка кобальта и порошка металлокерамики, а прессованная порошковая деталь хвостовика может быть изготовлена из порошка сплава на основе железа, который имеет твердость после спекания 300 единиц по Виккерсу, Hv или более. В частности, предпочтительно формование прессованной порошковой детали сверла с использованием порошкового литья под давлением. Кроме того, прессованная порошковая деталь сверла может включать в себя участок режущей кромки сверла и соединительный участок, соединительный участок, имеющий диаметр больший, чем диаметр участка режущей кромки сверла, а на одном конце соединительного участка может быть образовано углубление. После спекания порошковой детали, которая после спекания является цельной, может быть сформирована механической обработкой режущей кромки детали сверла режущая кромка микросверла.
С другой стороны настоящего изобретения, микросверло включает в себя деталь сверла для механической обработки отверстия и деталь хвостовика, имеющую неподвижное соединение с двигателем, причем деталь сверла и деталь хвостовика изготавливаются из разных материалов. Деталь сверла имеет режущую кромку сверла, образованную на одном ее конце, и углубление, образованное на другом ее конце, а деталь хвостовика имеет выступ, подгоняемый в углубление детали сверла. Деталь сверла может быть образована в виде прессованной порошковой детали сверла, имеющей углубление, образованное на одном ее конце, а деталь хвостовика может быть образована в виде прессованной порошковой детали хвостовика, имеющей выступ, образованный на одном ее конце. Затем прессованная порошковая деталь сверла и прессованная порошковая деталь хвостовика могут быть объединены друг с другом одновременным спеканием с выступом, посаженным в углубление.
Деталь сверла может включать в себя участок режущей кромки сверла и соединительный участок, соединительный участок, имеющий диаметр больший, чем диаметр участка режущей кромки сверла, а на одном конце соединительного участка может быть образовано углубление. Прессованная порошковая деталь сверла содержит, по меньшей мере, один материала, выбранный из группы, состоящей из порошка карбида вольфрама, порошка кобальта и порошка металлокерамики, а прессованная порошковая деталь хвостовика может содержать порошок сплава на основе железа, который имеет твердость после спекания 300 единиц по Виккерсу, Hv, или более. Углубление и выступ могут иметь угловое поперечное сечение в том месте, где они соединяются друг с другом.
Полезные эффекты
В соответствии с настоящим изобретением, возможно изготовить микросверло раздельной подготовкой прессованной порошковой детали сверла и прессованной порошковой детали хвостовика с применением порошков разных материалов, сборкой прессованных порошковых деталей друг с другом перед спеканием и объединением прессованных порошковых деталей спеканием их в одно и то же время. Следовательно, по сравнению со способом традиционной техники, процесс производства упрощается, а стоимость механической обработки снижается, поскольку не требуется тонкая механическая обработка нержавеющей стали, которая является хрупким материалом.
Кроме того, при подготовке прессованной порошковой детали сверла возможно регулировать размер участка, который предназначен для формирования режущей кромки сверла (т.е. участка режущей кромки сверла) с учетом усадки в процессе спекания. В результате, участок режущей кромки сверла окончательной спеченной прессованной порошковой детали имеет минимальный диаметр, необходимый для формирования режущей кромки сверла. Следовательно, при механической обработке режущей кромки сверла возможно минимизировать отход сверхтвердого материала, который дорог, уменьшая, таким образом, общую стоимость производства.
Кроме того, в способе традиционной техники отверстие, в которое подлежит посадке деталь сверла, изготовленная из сверхтвердого материала, должно быть сформировано в детали хвостовика, изготовленного из нержавеющей стали. Отверстие имеет чрезвычайно низкую степень свободы в конструкции, и может быть механически обработано только в виде круглой формы. Однако в соответствии с изобретением, прессованные порошковые детали, которые предназначены для формирования детали сверла и детали хвостовика, могут быть отлиты различными по форме, а следовательно, связующая конструкция, которая включает в себя углубление сверла и выступ хвостовика, может быть образована в виде различных форм, например, угловой формы, чтобы эффективно передавать крутящий момент. Соответственно, изобретение может обеспечить микросверло, в котором соединение между деталью сверла и деталью хвостовика имеет большую структурную устойчивость, чем соединение при традиционной технике.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет процесс изготовления микросверла традиционной техники;
фиг.2 представляет вид, показывающий процесс изготовления микросверла по изобретению;
фиг.3 представляет вид, показывающий множество примеров сечения углубления детали сверла и выступа детали хвостовика, которые соединяются друг с другом в микросверле по изобретению; и
фиг.4 представляет график, показывающий характер изменения усадки прессованной порошковой детали из карбида вольфрама, который является сверхтвердым материалом, и прессованной порошковой детали из нержавеющей стали, которая является материалом детали хвостовика, в зависимости от температуры.
Осуществление изобретения
Способ производства микросверла по изобретению представляет собой способ производства микросверла, которое включает в себя деталь сверла для механической обработки отверстия и деталь хвостовика, которая имеет неподвижное соединение с двигателем, причем деталь сверла и деталь хвостовика изготавливаются из разных материалов. Способ включает в себя следующие этапы: формирование прессованной порошковой детали сверла, имеющей углубление на одном ее конце, и прессованной порошковой детали хвостовика, имеющей выступ, предназначенный для подгонки в углубление прессованной порошковой детали сверла; формирование сборки из прессованной порошковой детали сверла и прессованной порошковой детали хвостовика, с выступом, посаженным в углубление; и одновременное спекание сборки из прессованной порошковой детали сверла и прессованной порошковой детали хвостовика.
Прежде всего, готовится смесь для спекания порошка, которая предназначается для формирования прессованной порошковой детали сверла. Для этого в данном варианте воплощения используется сверхтвердый порошок карбида вольфрама с 8% содержанием кобальта, в котором к карбиду вольфрама (WC) добавляется 8% по весу кобальта. Здесь может добавляться карбид титана TiC, карбид тантала ТаС, VC, Сr3С2, или подобное в количества 1% по весу в зависимости от применения. Кроме того, в качества сверхтвердого материала может быть применена металлокерамика. Хотя сверхтвердый порошок имеет средний диаметр частиц 0.2 µ.m, может быть добавлен порошок со средним диаметром частиц менее 1 µm. При необходимости при литье может быть добавлено связующее вещество. В данном варианте воплощения добавляется 50% по весу полиэтилена, 45% по весу парафинового воска и 5% по весу стеариновой кислоты. Соотношение объемов порошка и связующего вещества составляет 50 на 50. Смесь для спекания порошка готовится с использованием смесителя Бенбери, который нагревается до 150°С.
После этого готовится смесь для спекания, которая предназначается для формирования прессованной порошковой детали хвостовика. Здесь в качестве порошкового материала для детали хвостовика используется порошок нержавеющей стали STS 420J. Кроме того, может быть использован порошок сплава на основе железа, такой как Fe(2-8)Ni(0.2-0.8)C, STS630, STS440C, или стали для высокооборотного инструмента. Предпочтительно применение порошка, имеющего средний диаметр частиц в диапазоне от 7 µm до 15 µm.В данном варианте воплощения средний диаметр частиц порошка составляет 8цт.Кроме того, предпочтительно применение материала прессованной порошковой детали хвостовика, имеющего твердость после спекания 300 единиц по Виккерсу, Hv, или более. Используется такое же связующее вещество, что и для прессованной порошковой детали сверла. Т. е. используется 50%» по весу полиэтилена, 45%о по весу парафинового воска и 5% по весу стеариновой кислоты. Соотношение объемов порошка и связующего вещества составляет 61 на 49. Смесь для спекания порошка готовится с использованием смесителя Бенбери, который нагревается до 150°С.
После этого формируются прессованная порошковая деталь сверла и прессованная порошковая деталь хвостовика, имеющие соответствующие формы, с использованием смесей для порошкового спекания.
Вначале, ссылаясь на этап «Подготовка прессованной порошковой детали» на фиг.2, формируется прессованная порошковая деталь 100 сверла такой формы, что она имеет углубление 104 на одном ее конце. Прессованная порошковая деталь 100 сверла может быть сформирована таким образом, что она имеет участок 106 режущей кромки сверла и соединительный участок 102. Участок 106 режущей кромки сверла может быть сформирован таким образом, что" он имеет минимальный внешний диаметр, необходимый для механической обработки режущей кромки сверла после окончательного процесса спекания. Предпочтительно, соединительный участок 102 с углублением 104, образованном на одном его конце, имеет скошенную форму, так что диаметр увеличивается в направлении от участка 106 режущей кромки сверла.
После этого образуется прессованная порошковая деталь 200 хвостовика таким образом, что она имеет выступ 204, образованный на одном конце тела 202. Выступ 204 имеет такую форму и диаметр, что может быть посажен в углубление 104. Т. е., как показано на фиг.2, прессованная порошковая деталь 100 сверла сконфигурирована таким образом, чтобы охватывать контур выступа 204 прессованной порошковой детали 200 хвостовика. Диаметр выступа 104 формируется таким образом, чтобы быть меньше, чем внешний диаметр тела 202 прессованной порошковой детали 200 хвостовика и больше, чем внешний диаметр выступа 204. Размеры углубления 104 и выступа 204 устанавливаются с учетом степени, на которую материал, использованный для прессованной порошковой детали 100 сверла, и материал, использованный для прессованной порошковой детали 200 хвостовика, усаживаются во время процесса спекания. Кроме того, поперечное сечение углубления 104 и выступа 204, которые соединяются друг с другом, может иметь множество форм, чтобы эффективно передавать крутящий момент хвостовика, который вызывается двигателем, детали сверла, когда сверло работает. Фиг.3 показывает различные примеры форм углубления 104 и выступа 204, которые могут быть использованы. В частности, все детали с (а) по (с) на фиг.3 представляют «угловые формы», в которых деталь (а) представляет, в целом, круглую форму с угловым выступом, образованным на ее периферии, деталь (b) представляет, в целом, крестообразную форму, а деталь (с) представляет, в целом, шестиугольную форму.
Здесь предпочтительно, чтобы прессованная порошковая деталь 100 сверла, представленная на фиг.2, изготавливалась порошковым литьем под давлением, т.е. по технологии, примененной для производства окончательной формы. Технология порошкового литья под давлением используется для производства трехмерной окончательной формы, в которой, в целом, не требуется последующей обработки, путем смешивания металлического или металлокерамического порошка со связующим веществом, формирования из смеси отливки при помощи литья под давлением и рассоединения и спекания связующего вещества. В частности, литье под давлением, которое имеет высокую степень свободы в конструкции, является предпочтительным, поскольку углубление 104 образуется на одном конце прессованной порошковой детали 100 сверла. В случае с прессованной порошковой деталью 200 хвостовика, вместо порошкового литья под давлением может использоваться формование под давлением. Здесь прессованная порошковая деталь формируется в виде прутка, после чего следует механическая обработка выступа 204. В частности, в случае, когда прессованная порошковая деталь 100 сверла и прессованная порошковая деталь 200 хвостовика изготавливаются по технологий порошкового литья под давлением, углубление 104 и выступ 204, имеющие различные формы, показанные на фиг.3, могут быть сформированы с высокой точностью более легко. Кроме того, несмотря на то, что прессованная порошковая деталь 100 сверла и прессованная порошковая деталь 200 хвостовика формируются в данном варианте воплощения посредством соответствующих процессов порошкового литья под давлением, прессованные порошковые детали могут быть сформированы и собраны посредством одиночного процесса с применением одной прессформы, имеющей две порошковые форсунки. В этом случае может быть использовано совместное литье под давлением, при котором прессованная порошковая деталь сверла формируется через одну форсунку в положении, в котором вначале формируется прессованная порошковая деталь хвостовика через другую форсунку.
Прессованные порошковые детали 100 и 200 собираются друг с другом с посадкой углубления 104 детали сверла в выступ 204 детали хвостовика, а затем сборка ориентируется таким образом, что прессованная порошковая деталь 100 сверла размещается над прессованной порошковой деталью 200 хвостовика. В этом положении две прессованные порошковые детали 100 и 200 подвергаются одновременному спеканию.
В качестве спекания предпочтительно применяется вакуумное спекание. Пригодная температура спекания находится в диапазоне от 1300°С до 1380°С. Здесь 1300°С является температурой, при которой сплав карбида вольфрама - кобальта, WC-Co, используемый в данном варианте воплощения, начинает переходить в жидкую фазу, а 1380°С является температурой плавления нержавеющей стали, материала хвостовика. Определено, что время спекания должно составлять 4 часа или меньше. Тем временем, перед процессом спекания, может выполняться процесс рассоединения, чтобы удалить связующее вещество из прессованных порошковых деталей. Процесс рассоединения может представлять термическую декомпрессию при комнатной температуре, которая использует газообразный водород или газ, в котором смешаны азот и водород. Кроме того, может использоваться экстракция растворителя, сверхкритический отток, декомпрессионное рассоединение или подобное.
Фиг.4 показывает проявление усадки сверхтвердого материала карбид вольфрама - кобальт (WC-Co) детали сверла и нержавеющей стали (STS 420J) детали хвостовика в зависимости от температуры. Как показано на фиг.4, сжатие карбида вольфрама -кобальта детали сверла начинается при около 1000°С, а сжатие нержавеющей стали при спекании начинается при более низкой температуре, чем у сверхтвердого материала. Когда прессованная порошковая деталь 100 сверла и прессованная порошковая деталь 200 хвостовика спекаются в одно и то же время, температура начала сжатия хвостовика ниже, чем этот показатель для детали сверла. Следовательно, предпочтительно, чтобы выступ формировался на детали хвостовика, а углубление формировалось в детали сверла таким образом, что выступ на детали хвостовика располагался внутри углубления детали сверла, чтобы предотвратить разламывание или повреждение продукта во время спекания. Кроме того, если устанавливается, что внутренний диаметр углубления детали сверла меньше, чем внешний диаметр выступа хвостовика на от около 0.01% до 3% после окончательного процесса спекания, возможно дополнительно увеличить силу соединения между деталью сверла и деталью хвостовика. В этом случае размер Т1 внутреннего диаметра углубления 104 прессованной порошковой детали 100 сверла и размер Т2 внешнего диаметра выступа 204 прессованной порошковой детали 200 хвостовика могут быть определены с учетом степени, на которую дает усадку спеченная прессованная деталь 100 сверла, и степени, на которую дает усадку спеченная прессованная деталь 200 хвостовика.
После того как посредством совместного спекания образуется окончательно спеченная прессованная деталь, производится режущая кромка 108 сверла посредством механической обработки участка 106 режущей кромки сверла. Здесь, поскольку участок 106 режущей кромки сверла имеет минимальный диаметр, необходимый для механической обработки режущей кромки сверла, возможно минимизировать отход сверхтвердого материала, по сравнению со способами традиционной техники. По окончании механической обработки режущей кромки сверла производится микросверло в качестве готового продукта.
Несмотря на то, что выше были описаны примерные варианты воплощения изобретения, человек, имеющий обычный опыт в технике, к которой принадлежит изобретение, может произвести изменения без отклонения от идеи изобретения. По этой причине, предшествующие описания конкретных вариантов настоящего изобретения представляются в целях пояснения и описания. Рамки настоящего изобретения ограничиваются не подробным описанием, приведенным выше, а сопроводительной формулой изобретения. Также следует понимать, что все изменения или модификации, выведенные из пунктов формулы изобретения или их эквивалентов, подпадают под рамки изобретения.