Механична обработка на инженерни пластмаси

Oт технически пластмаси могат да се произвеждат различни стабилни, функционални и високоиздръжливи компоненти и детайли чрез използване на специално оборудване и техники за обработка. Общият термин механична обработка на пластмаси предполага, че всички видове инженерни пластмаси могат да се обработват с еднакви параметри и инструменти.

От друга страна, при металообработката се прави съществена разлика между инструменталната екипировка и параметрите за обработка на алуминий, стомана, неръждаема стомана и т. н. Аналогично, прецизна оценка на индивидуалните характеристики на пластмасовите материали е важно да бъде извършена преди обработката им с цел подбора на най-подходящ метод или технология, както и на работни параметри и инструментални средства за обработване.

Специфичните свойства на пластмасите имат решаващо влияние върху тяхната способност за обработка. Инженерните пластмасови материали могат да бъдат класифицирани в различни групи: аморфни термопластични материали; частичнo кристални термопластични материали; термопластични материали, подсилени с влакна; термопластични материали, подсилени с тъкани; PTFE (тефлонови) модифицирани термопластични материали и др.

Преимущества и ограничения
В сравнение с металите, техническите пластмаси предлагат широка гама от предимства, въпреки че трябва да се вземат предвид и редица ограничения. По принцип използването на пластмаси е възможно в области, където се изисква специфично съотношение между тегло и здравина в полза на олекотената конструкция. Пластмасата предлага аналог на метала и редица други материали за изработка на различни компоненти и изделия, макар че при работата със стъкло или дърво например обикновено се налагат съществени промени в конструкцията на детайлите.

Сред предимствата на техническите пластмаси в сравнение с металите са: тяхната ниска плътност; доброто заглушаване на шума и вибрациите; електрическата изолация или регулируема проводимост; добрата химическа устойчивост, както и възможностите за по-голяма свобода при дизайна и проектирането. Основни преимущества на инженерните пластмасови материали са и: пропускливостта към електромагнитни вълни; много добрата устойчивост на корозия; термичната изолация и множеството възможни модификации за специфични приложения.

Ограничения на тези материали в сравнение с металите са: относително ниското термично съпротивление; по-голямото термично разширение; по-лошите механични характеристики и по-ниското съпротивление на плъзгане.

Роля на технологията за екструдиране
Производствените процеси, особено екструдирането на полуфабрикати, оказват влияние върху свойствата и обработваемостта на материала. Пластмасови полуфабрикати от PTFE (политетрафлуоретилен или тефлон) и полиамиди могат да бъдат произведени чрез пресоване и синтероване. Ключова технология за обработка на други термопластични материали е процесът на екструзия. В този процес на оформяне материалът се стопява, нагнетява се в цилиндър чрез винтов конвейер и се хомогенизира. Използвайки налягането, възникващо в цилиндъра, и подходяща инструментална екипировка, полуфабрикати се произвеждат под формата на листове, цилиндрични заготовки и тръби и се калибрират чрез система за охлаждане.

Полученото налягане в процеса на екструдиране предизвиква движение на срязване в потока на пластмасовата стопилка. Полуфабрикатите, излизащи от инструмента, бавно се охлаждат в посока от външния слой към центъра. Лошата термична проводимост на пластмасите води до различни скорости на охлаждане. Докато външните стени на полуфабриката вече са се втвърдили, центърът все още съдържа пластмаса в течно или разтопено състояние. Пластмасите са предмет на типично за този вид материал свиване. По време на охлаждащата фаза свиването на пластичния център бива възпрепятствано от втвърдения граничен слой.

Инструменти и машини за обработка на пластмаси
Машинната обработка (определена съгласно DIN 8580) е най-бързият и най-икономичен начин за производство на прецизни компоненти, особено в малки обеми. С помощта на механична обработка могат да бъдат постигнати много тесни допуски при размерите на изделията.
За машинната обработка на полуфабрикати от пластмаси могат да се използват конвенционални машини от дървообработващата и металообработващата промишленост с инструменти от високоскоростна стомана (HSS).

По принцип ъгълът на режещия ръб на инструментите трябва да е такъв, какъвто е за обработка на алуминий. Някои специалисти обаче препоръчват използването на специални инструменти за пластмаса с по-остър ъгъл на клина. Закалени стоманени инструменти не е препоръчително да се използват за обработка на подсилени пластмаси поради късите времена на очакване и дългите времена на обработка. В този случай се препоръчва използването на инструменти от волфрамов карбид, керамика или диамант. Аналогично, циркулярните триони, снабдени с дискове с карбидни режещи пластини, са идеални за рязане на пластмаси.

Рязане
Пластмасите могат да бъдат изрязвани с лентов трион или циркуляр. Изборът зависи от формата на заготовката. Най-общо казано, най-голямата опасност за увреждането на материала идва от топлината, генерирана от инструменталната екипировка при обработката на пластмаси. По тази причина за всяка форма и материал трябва да се използва специално избран режещ инструмент.

Лентовите триони са най-подходящи за рязане на кръгли пръти и тръби. Препоръчително е да се използват опорни клинове, както и достатъчно остри и добре настроени триони. Сред предимствата на лентовите триони са: добро отстраняване на стружки; избягване на голямо триене между режещите повърхности и материала, както и прекомерно топлинно натрупване; избягване на блокирането на ножовете.

Топлината, генерирана при рязането, се разсейва благодарение на дългата режеща повърхност. Лентовите триони позволяват гъвкаво приложение за прави, непрекъснати или нестандартни разфасовки. Друго предимство е, че лентата за рязане води до добро качество на среза.
Циркулярите са подходящи главно за рязане на плочи по размер с прави отрязани ръбове. Стационарните циркулярни триони могат да се използват с достатъчно мощен двигател за разфасоване на плочи с дебелина до около 10 см.

Циркулярните дискове трябва да бъдат изработени от закален метал. При рязане с циркуляр трябва да се използва достатъчно ниво на подаване, както и адекватна хлабина на рязане. Сред предимствата на метода са: добро отстраняване на стружки; избягване залепването на режещия диск; избягване прегряването на пластмасата при рязане; добро качество на среза.

Струговане
Пластмасите могат да се обработват и на конвенционални стругове. За оптимални резултати е препоръчително да се използват специфични режещи ножове за пластмаса. Препоръчва се използването на инструменти с малки радиуси на режещия ръб, финишен режещ ръб с широк нос за високи изисквания към повърхностите и ножове с геометрия на рязане за обработка на гъвкави детайли. Също така трябва да се избират благоприятни геометрии за фиксиране и специална геометрия на длетата за отделяне.

Основни предимства на технологията са оптималните повърхности без резки и редуцирано натрупване на материала.
При струговане на инженерни пластмаси трябва да се избере висока скорост на рязане и дълбочина на рязане най-малко 0,5 мм. Сгъстеният въздух е подходящ за охлаждане. Поради ниската твърдост на пластмасите понякога се налага да се използва люнет. Целта е стабилизиране на компонента и избягване на деформацията му.

Някои от останалите преимущества на метода са: добро охлаждане на материала, избягване натрупването на стружки, чието количество може да нарасне значително при някои видове пластмаси; предотвратяване на заклинването и завъртането около струговата част на острието.

Фрезоване
Пластмасите могат също и да се фрезоват на обикновени обработващи центрове. Това трябва да се извършва обаче само с инструменти с достатъчно пространство за стружки, за да се гарантира надеждното им отделяне и да се предотврати прегряването. Подходящи за фрезоване на термопластични материали са: шлицеви фрези, фрезерни резци, цилиндрични фрези, както и стандартни режещи инструменти.

Предимствата включват едновременно оптимална висока производителност и добро отстраняване на стружки. Препоръчва се да се използват високи скорости на рязане, средни подавания и добро закрепване. Тънките обработвани детайли могат да бъдат закрепени с помощта на смукателно приспособление или двустранна залепваща лента върху масата на рутера. За плоски повърхности челното фрезоване е по-икономично от периферното фрезоване. По време на периферно фрезоване инструментите не трябва да имат повече от два режещи ръба, за да се сведат до минимум вибрациите, причинени от по-голям брой режещи ръбове, и размерите на стружките трябва да са адекватни.

Постепенното (стъпково) фрезоване се препоръчва, когато се налага да се избягва натрупването на топлина.
По-добри фрезови повърхности могат да бъдат постигнати чрез избиране на нисък ъгъл на стружкоотделяне при повърхностно фрезоване. Оптимална ефективност на рязане и качество на повърхността могат да се постигнат с единични инструменти за рязане. Фрезоването “надолу” е за предпочитане пред стандартното фрезоване.

Пробиване
При пробиване на пластмасови компоненти трябва да се избере подходящ метод, за да се избегнат различни дефекти. В противен случай съществува опасност от счупване, разкъсване, прегряване или изменения на размерите на пробиваните отвори. При пробиване трябва да се обърне специално внимание на изолационните характеристики на пластмасата.

Те могат да доведат (особено при полукристалните пластмаси) до бързо загряване по време на процеса на пробиване, по-специално ако дълбочината на пробиване е по-голяма от два пъти диаметъра. Това може да причини т. нар. “размазване” на свредлото и вътрешно разширяване в компонента, което да създаде напрежение на натиск в детайла (особено при пробиване в центъра на кръгли пръти). Нивата на механичен стрес при пробиване могат да бъдат достатъчно високи, за да предизвикат значително изкривяване, неточности в размерите или дори пукнатини, счупвания и пръсване на крайния компонент или заготовка. Изборът на подходящ метод за обработка на всеки специфичен материал би предотвратил това.

Обикновено добре заточените конвенционални свредла за метал HSS са добър вариант за пробиване на пластмаси. Препоръчват се свредла с тесен мост (синхронизирано пробиване), тъй като при тях има намалено триене и се избягва натрупването на топлина. Необходимо е също да се използва охлаждащо средство и свредлото често да се вади от отвора, както и да се избягва ръчното подаване с цел предотвратяване на заклинване и счупване на инструмента.
Пробиване на отвори с малък диаметър (<2,5 см) - високоскоростните стоманени свредла (HSS) са подходящи за тази цел.

Използването на спираловидно свредло с ъгъл на усукване от 12-25° и осигуряването на много гладки спираловидни канали благоприятства отклонението на стружките. Честото вадене на свредлото (периодично пробиване) се препоръчва за по-добро отстраняване на стружките и избягване на термично натрупване. При компонентите с тънки стени се препоръчва използването на високи скорости на рязане, както и неутрален ъгъл на рязане, за да се избегне заклинване в компонента и скъсване на свредлото и/ли повдигане на детайла от инструмента.

Пробиване на отвори с голям диаметър (>2,5 см) - при пробиване на по-големи отвори първо трябва да се извърши предварително пробиване. Избраният диаметър на предварително пробиване трябва да бъде не по-голям от 2,5 см. След това пробиването се довършва с вътрешно режещо длето.
Пробиването на дълги пръти типично се извършва само от едната страна.

При опити за пробиване, които се срещат в средата (двустранно пробиване), могат да възникнат неблагоприятни напрежения на опън или дори да настъпи разкъсване на материала.
В екстремни случаи или при подсилени материали е препоръчително пробиването да се извърши при предварително загрят компонент. За да се гарантира точността на размерите, финишната обработка се извършва при напълно изстинал детайл.

Нарязване на резби и плоско фрезоване
При инженерните пластмаси резбите най-добре се нарязват с използване на пробиващи инструменти за мъжки резби или фрезоване за женски резби. Двузъбните плашки избягват образуването на мустаци. Матрици не се препоръчват. В случай на дефект е възможно пренарязване.
Метчиците често трябва да бъдат избирани с надбавка (в зависимост от материала и диаметъра – с приблизително стойност 0,1 мм). Не трябва да бъде избирана надбавка, която е твърде висока, за да се избегне смачкване на резбата.

Шепинговането и равнинното фрезоване се определят като методи за геометрически определено оформяне на детайли чрез стружкоотделяне за получаване на еквивалентни и повторяеми повърхности, канали или профили (профилно фрезоване). Двете процедури се различават само по това, че при шепинговането материалът се отстранява от обработваната повърхност под права линия. В случай на фрезоване на равнина от друга страна, повърхността се обработва с помощта на фрезова глава. И двата процеса са подходящи за създаване на равномерни и гладки повърхности на полуфабрикати. Основната разлика е, че възникват оптически различни повърхности (повърхностна структура, гланц).

Шлифоване
При шлифоването на технически пластмаси цялостният ефект от рязането, обработката, движението и подаването има за резултат непрекъснато стружкоотделяне от обработваната повърхност. Качеството при шлифоването зависи от: шлайфмашината; използвания инструмент; шлифованата среда; работните параметри на процеса; материала, който трябва да бъде обработен; твърдостта/якостта на полуфабрикатите и др. Ключови работни параметри са: скорост на рязане, ниво на скоростта на подаване, дълбочина и ниво на напречното подаване.
Оптимално настроените машини и правилният избор на параметри за съответния материал осигуряват високо качество на повърхността с минимални грапавини и неравности.

Качество на повърхността
За да се получи добро качество на повърхността, обработващите инструменти трябва винаги да бъдат заточени и остри. Износените режещи ръбове могат да доведат до повишено генериране на топлина, което да причини изкривяване и термично разширение. Инструментите трябва да са достатъчно раздалечени, за да се гарантира, че само режещият ръб контактува с пластмасата. Безупречни финишни повърхности могат да бъдат постигнати само при обработка на машини с ниска вибрация.

Препоръчва се използване на темпериран материал с ниско вътрешно напрежение, притежаващ свойствата на пластмасата (термично разширение, ниска якост, слаба топлопроводимост и т. н.). Поради ниската устойчивост на материала, обработваният детайл трябва да е адекватно закрепен и добре разположен върху поддържащата равнина с цел избягване на изкривявания и грешки в размерите.

При процеси, включващи генериране на високи нива на топлина (като пробиване), трябва да се използват охлаждащи средства. Напреженията на натиск не трябва да бъдат прекалено високи, тъй като в противен случай могат да доведат до образуването на деформации и отпечатъци по детайла. Също така трябва да се избират подходящи параметри за процеса на обработка. Скоростта на подаване трябва да се поддържа на умерени нива, като се използва висока скорост на рязане. Трябва да се гарантира добро отстраняване на стружките, за да се предотврати натрупване по инструментите. Отстраняването на стружките трябва да е равномерно от всички страни, за да се предотврати деформация.

След фрезоване, шлайфане, пробиване, струговане или гравиране малка част от обработвания материал остава върху обработвания компонент или неговите ръбове. Този факт оказва отрицателно влияние върху качеството на повърхността на компонента. При обработката на пластмаси образуването на стружки зависи от особеностите на редица различни параметри. За тази цел трябва да се избере инструментална екипировка, специфична за всеки материал. Състоянието на инструмента е от решаващо значение. Затъпените инструменти причиняват много по-високо ниво на топлинно натрупване и образуване на мустаци.

Отстраняване на мустаци
Ръчното почистване е най-разпространеният метод за отстраняване. То е гъвкаво, но най-трудоемко. В същото време трябва да се прилага визуален контрол.
При отстраняване със струя от абразивен материал с високо налягане, приложена по повърхността на компонента, основно се използват струи от пясък, стъклени мъниста или сух лед.

Тази технология предлага следните методи за повърхностна обработка: заглаждане; награпяване (матиране); премахване на замърсявания.
Криогенното премахване представлява отстраняване на мустаци при температури около -196°C посредством абразивни струи под налягане или обработка на компонентите във въртящи се барабани. Често използваните охлаждащи течности са течен кислород, течен въглероден диоксид и сух лед. Ниските температури водят до чупливост и твърдост на материалите.

При отстраняване на мустаци може да се използва и открит пламък. Съществува опасност по време на процеса да настъпи повреда в компонента поради голямата топлина. При отстраняване с горещ въздух мустаците се топят под въздействието му. Това е много сигурен и контролируем процес. Повреди или изкривявания на компонентите се избягват, когато се използва управление на процеса, подходящо за съответния материал.

Инфрачервеното отстраняване е сравнимо с това с горещ въздух, като вместо него за загряване се използва инфрачервен източник на топлина. Галтоване (Rumbling/Trovalising) се нарича процесът на обработване на компонентите заедно с абразиви при въртене или вибриране в барабани.