Особености на инструментите за обработване на неметални материали

B практиката процесът на обработване на материалите чрез рязане е широко застъпен не само при металите, а при почти всички видове материали: пластмаси, дърво, минерали, строителни и облицовъчни материали, стъкло, гума и др.

Свойствата на тези материали силно се различават от тези на металите, поради което се различават и геометричните параметри на инструментите, степента на износването им, до която се използват, режимите и другите условия на рязане. Различията в свойствата на неметалните материали са причина за обработването им да се произвеждат машини със сходна кинематика, но с други конструкции.

В темата ще бъдат разгледани особеностите на инструментите и режимите на експлоатацията им при най-широко използваните неметални материали.

Особености на инструментите за обработване на пластмаси
Пластмасите намират широко приложение в машиностроенето и в бита. Използването им позволява намаляване на теглото и цената на машините и битовата техника, подобрява външния вид, устойчивостта на корозия, електробезопасността и др. Те се обработват предимно по безстружкови методи – леене под налягане, екструдиране, пресоване, раздуване и др.

При ниски серии е нерентабилно да се изработват съответните скъпи инструменти, а при точните детайли от 6-8 степен и високи изисквания за грапавости Ra = 0,16-1,25 mm при механичната обработка се прилагат операциите отрязване, струговане, пробиване, фрезоване, резбонарязване, шлифоване и полиране.

Пластмасите се делят на две големи групи – термопластични и термореактивни.
Термопластичните като полиетилен, полиамид, винипласт, органично стъкло и др. се обработват главно чрез леене под налягане и екструзия. Термореактивните полимери като гетинакс, текстолит, стъклотекстолит и др. се обработват обикновено чрез пресоване.
Топлоустойчивостта на пластмасите е от -600 до +2000 и по изключение - повече.

Топлопроводността им е 500-600 пъти по-ниска от тази на металите, т.е. практически нулева. Топлоотвеждането чрез отделените стружки и обработваната заготовка е нищожно, особено за термореактивните пластмаси, при които 90% от топлината се отделя през инструмента срещу 24% за термопластичните.

При рязане на термопластични пластмаси се отделя непрекъсната стружка, която налепва по предната повърхнина. Термореактивните пластмаси отделят елементна стружка, често прахообразна, силно зависеща от използваните пълнители.

Поради значителната еластична деформация на обработената повърхнина след преминаването на режещия ръб действителният й размер се получава различен от настроения, който не отчита тази деформация.

Силите при рязане на полимери са 10-20 пъти по-малки от тези при рязане на метали със същия режим и силно зависят както от инструменталния материал, така и от износването по задна повърхнина. При еднакви условия на механичната обработка силите на рязане на пластмаси са еднакви за инструменти от бързорежеща стомана и металокерамика. При използване на диамантни инструменти те са от 2 до 5 пъти по-малки.

По механична обработваемост полимерите се разделят в 6 групи с влошаваща се механична обработваемост от първата към последната. Това са:
• термопластични полимери без пълнител - обработват се най-лесно и дават гладка обработена повърхнина;
• термопласти с метален пълнител - обработват се лесно, но изискват внимателно подбиране на инструменталния материал;
• термореактивни пластмаси с висока пористост - при тях се използват големи предни ъгли и малки установъчни ъгли в сравнение с обработването на метали и се работи без охлаждане;
• термореактивни пластмаси с прахови пълнители тип дървесно брашно - имат силно абразивно действие, а режещите ръбове на инструментите проявават склонност към откъртвания;
• термореактивни пластмаси с влакнести пълнители като стъклопласти, които се характеризират с много силни абразивни свойства;
• термореактивни пластмаси с листови и слоести пълнители със силно изразени анизотропни свойства. При тях трябва да се отчита допълнително направлението на структурата на обработвания материал.

Инструментите за разрязване по конструкция са аналогични на тези за обработване на метали. Те се изработват от въглеродни, легирани, бързорежещи стомани и по-рядко от металокерамика. Циркулярите се произвеждат с диаметри до 250 mm и ширина до 5 mm, зъбите задължително са чапразени за намаляване на триенето по двете чела. Отрязващите ленти са с дебелина 0,25-1 mm, като зъбите също странично се освобождават чрез чапразене.

Стругарските ножове се изработват предимно от бързорежеща стомана или металокерамика тип К01...20 или N. Най-високи експлоатационни възможности имат ножовете от технически диамант. Използват се остри режещи ръбове и се допуска два пъти по-малко износване по задна повърхнина отколкото при рязане на метали VВ = 0,1-0,2 mm.

Свредлата за пробиване на пластмаси са спирални или перови, от бързорежеща стомана или металокерамика. По конструкция могат да са монолитни или сглобяеми. Срещу странично изместване поради неравномерността на обработвания материал се използват много по-малки установъчни ъгли (1-20o) за свредла от бързорежеща стомана и 30-45о за металокерамика.

Друго решение е едновременното водене на свредлото по конусната сърцевина и издадените наравно с челото калиброващи лентички като на някои свредла за пробиване на дърво. Челните и цилиндрични фрези се изработват монолитни или със сглобяеми ножове. Изработват се предимно от бързорежеща стомана или металокерамика с малък брой зъби и големи стружкови канали с наклон 20-25о. Профилните фрези са предимно с остро заточени зъби.

Инструменти за обработване на дърво
Според съотношението между посоките на рязане и направлението на влакната на дървото се различават челни, надлъжни и напречни обработки, при които силата на рязане и качеството на обработената повърхнина, както и естетическите и трайностните и качества на детайла съществено се различават.

Видовете и типовете инструменти за обработване на неметални материали са аналогични на традиционните металорежещи инструменти. Разликата е предимно в режещия материал, ъгловите параметри (по-големи предни и задни ъгли), значително по-малките сили и по-големите стойности на режимите на рязане (скорост до 50-80 m/s и подаване до 1-2 m/s).
Съществуват и някои специфични видове инструменти като верижни инструменти за дърводобив, гатерни триони за надлъжно рязане на трупи, сдвоени фрези за нутове за дограма и др.

Бързорежещите стомани се използват практически за всички типове дървообработващи инструменти. Използват се широко металокерамиката и ограничено инструменти от свръхтвърди материали. Трионите – гатерни, лентови, циркулярни имат конструкция близка до тази на листовете за ножовки, но са с по-малка дебелина.

Гатерните триони са с голяма дължина (до 2 m) и служат за нарязване на дървените трупи по дължина. Трионите биват със сплескани и с чапразени зъби. Сплесканите дават по-гладък срез, всички зъби са еднакво и симетрично натоварени. Подаването на зъб за страничните режещи ръбове е 2 пъти по-малко при определен режим, тъй като работят страничните режещи ръбове на всеки зъб. При тях липсва неблагоприятно странично натоварване, но е голямо триенето между страничните стени на триона и срязвания канал.

Чапразените триони реализират по-малко триене по страничните повърхнини. Чапразенето се извършва чрез оформяне на странични режещи ръбове с положителни спомагателни ъгли вляво и вдясно през 1 или през няколко зъба. Лентовите триони представляват безкрайна лента с малка дебелина, опъната между лентоводни колела, около които се огъват в посока перпендикулярна на движението на рязане.

Тези триони трябва да имат много еластични, за да се огъват около колелата и пластични, за да могат да се чапразят зъбите. Тесните лентови триони със ширина 10-60 mm се използват за бичене върху обикновени банциги. Делителните лентови триони със ширина 50-180 mm се използват за бичене върху делителния банциги. Широките лентови триони със ширина 180-400 mm се използват за бичене на трупи.

Циркулярните триони имат формата на отрезна фреза за метал. Плоските триони са с диаметър от 150 до 800 mm и служат за надлъжно, напречно и косо бичене на дървесина. При рязане на дървесни плочи с изкуствени материали се използват предимно металокерамични циркуляри с прорези по тялото за компенсация на температурните деформации при спояване и рязане.

Проходните ножове се изпълняват с по-малки главни установъчни ъгли (до 45о) с цел да не се разрошва детайла по дължина на влакната. Te се използват за надлъжно струговане, включително и по копир. Профилните ножове за напречно копирни операции са предимно тангенциални, с цел да не товарят с големи сили на рязане заготовките, които са със значително по-малка якост в сравнение с металните.

Малките задни ъгли при излизане на тангенциалните ножове от контакт с обработената повърхнина допринасят за силно изразеното и заглаждане, което е допълнителен естетически ефект. За целта задните повърхнини на ножовете се полират до много висока гладкост.

Ножовете за вграждане в дълги цилиндрични фрези (абрихт) служат за изглаждане на дъски и плоскости. В един инструмент се вграждат от 2 до 6 ножа, работещи с подаване fz=0,3-2,5 mm/z и скорост на рязане до 600 m/min.

Верижните фрези са специфични инструменти за дърводобив и високо производително, но с малка точност прорязване на канали, състоящи се от звена със специална форма и висока твърдост.

За прорязване и отрязване на дъски се използват отрезни фрези с форма, аналогична на тези за обработване на метал, но с по-големи задни и предни ъгли. При сглобяване на дървена дограма сдружаваните елементи преди залепяне се съединяват чрез негативно оформени повърхнини с различна форма – нутове. При изработване на профилните повърхнини се използват сглобяеми фрези, съставени от две регулируемо разположени части.

Свредлата за пробиване на дълбоки отвори са с голям ъгъл на подема на винтовата линия и по-малък диаметър на сърцевината от тези за пробиване на стомана. Често срещу странично изместване на свредлото се използва воденето му едновременно по сърцевината и по калиброващите лентички. При пробиване на отвори перпендикулярно на влакната се използват периферни подрезвачи, които са разположени с 0,5 mm пред върха на сърцевината, за да направляват по-добре свредлото и да осигурят по-добро качество на отвора.

Зенкерите за дообработване на отвори са сходни с тези за метали, като се различават по предните и задни ъгли и ширината на калиброващите лентички. Тези параметри имат по-големи стойности от инструментите за обработване на метали.

Инструменти за обработване на други неметални материали
Стъклата биват листови (прозрачни), орнаментни, армирани, профилно лети съдове и детайли, изтеглени нишки, електротехнически, оптични и др. Те се използват за детайли в бита и техниката.

В машиностроенето стъклото се използва за покрития на детайли, работещи в агресивни среди; лагери, работещи при температура 500о-600о без мазане (имат малък коефициент на триене с метали); точни измервателни уреди (имат нулев коефициент на топлинно разширение). Материалите са крехки и нетоплопроводни, обработват се без охлаждане, много са чувствителни към топлинни и механични удари.

Стъклото се обработва чрез шлифоване, полиране, профилно стъргане и фрезоване. Най-добрия инструментален материал за обработката им е техническият диамант. Произвеждат се редица специфични конструкции на инструменти, предназначени за обработване на стъкло.

Мрамор, гранит, бетон, варовик, полускъпоценни и скъпоценни камъни са естествените материали, използвани в строителството за подови настилки, облицовки, паметници, масивни части на измервателни уреди, прецизни машини и др. Тези материали са нетоплопроводни, в по-голямата си част понасят внимателно охлаждане без топлинни удари.

При сондажните и подземни добивни и строителни работи също се налага използване на подобни инструменти, които са с големи размери Минералите обикновено се обработват чрез леене (петрургия) на готови изделия с различни форми, предимно от силикати – за детайли като тръби, плочи, електроизолатори и др. Обработват се механично чрез отрязване, пробиване, шлифоване, струговане.

Инструменти за обработване на гьон и кожа се използват ограничено в обущарската, кожухарската промишленост, конфекцията, за опаковки (калъфи) и др. Тези инструменти се използват за прорязване, изтрашване (скосяване на краищата), фрезоване, шлифоване и др.
Общите особености при обработване на неметалните материали могат да се обединят. По-голямата част от неметалните материали имат по-ниска якост, твърдост и топлоустойчивост от металите.

При рязането им се реализират по-ниски сили и температури на рязане. Те имат по-ниска до нулева топлопроводност, поради което рязането трябва да протича при обилно охлаждане (при минералите), или не понасят охлаждане (кожа, дърво), поради което трябва да се използват инструменти с висока топлопроводност, през които да се отделя топлината, формирана в зоната на рязане. Използват се по-големи скорости на рязане (при пластмаси и дърво), обработващите машини са с по-малка стабилност и високи скорости на главното движение.

Статията е разработена със съдействието на доц. д-р инж. Кирил Петров Киров