Особенности механической обработки пластмасс

Обработка необходима в основном для придания детали надлежащего внешнего вида, изменения конфигурации, полученной в процессе формообразования, получения более точных ответственных размеров.

Механическая обработка, как правило, применяется в тех случаях, когда требуется изготовить изделия сложной формы, трудно поддающиеся прессованию, например: шестерни, детали подшипников, панели, корпуса различных механизмов и др.; а также в случаях, когда партия заказа невелика и изготовление литьевой формы или пресс-формы экономически нерационально, или когда выполнение какого-либо изделия или его части в пресс-форме невозможно.

Выбор вида обработки зависит от конструкции и назначения детали, конструкции формующего инструмента, характера технологического процесса и др.

На процесс механической обработки деталей из пластмасс и др. материалов влияет множество факторов, главными из которых являются: станок – тип, размеры, мощность, состояние; режущий инструмент – его конструкция и размеры, состояние, материал и геометрия режущей части; режимы резания – скорость и глубина резания, подача, количество проходов; форма, размеры и жесткость обрабатываемой детали.

Особенности структуры и физико-механических свойств пластмасс существенно отличают их механическую обработку от аналогичной обработки металлов.

Низкие плотность и твёрдость, невысокая теплостойкость, крайне низкая теплопроводность, высокое сопротивление воздействию вибраций, интенсивное истирающее воздействие на режущий инструмент – всё это необходимо учитывать при назначении режимов резания и выборе геометрических параметров инструмента.

Низкая теплопроводность пластмасс (в 500 раз меньше, чем у металлов) обусловливает слабый отвод теплоты со стружкой обрабатываемого изделия. Следовательно в режущий инструмент при обработке пластмасс отводится значительно больше теплоты, чем при обработке металлов.

Несмотря на то, что общее количество теплоты при резании пластмасс значительно меньше, чем при резании металлов, температура в зоне резания и, что особенно важно, температура поверхностного слоя материала довольно высока, порядка 500-600 оС. Предельно допустимыми температурами в контактном слое инструмент-деталь, лимитирующими разложение материала являются: для термореактивных пластмасс – 160 оС, для термопластичных – 60-130 оС. Сосредоточиваясь в поверхностном слое обрабатываемого материала, температура резания одновременно с действием резких динамических нагрузок, возникающих в процессе обработки , вызывает разложение поверхностного слоя материала и служит при чиной образования расслоений, задиров и других видов брака. Это отражается как на качестве поверхности, так и на достигаемой точности.

В связи с высоким коэффициентом термического расширения полимеров при их обработке возникают дополнительные трудности, вызванные температурным расширением изделия, что приводит к увеличению работы трения между обрабатываемой поверхностью изделия и задней поверхностью режущей кромки инструмента.

Силы резания при обработке пластмасс в 10-20 раз меньше сил, возникающих при обработке металлов. В то же время упругие свойства пластмасс значительно выше, чем у металлов. В результате на точность обработки пластмасс в меньшей степени влияют упругие деформации системы станок-приспособление-инструмент, но весьма значительное влияние оказывают упругие деформации самих деталей как под воздействием сил резания, так и в результате усилий закрепления.

Детали из термопластичных материалов деформируются легче, чем термореактивные, поскольку при повышении температуры они размягчаются, в то время как твёрдость деталей из термореактивных материалов практически не меняется. Поэтому, учитывая низкую теплостойкость и относительно невысокую прочность пластмасс при растяжении и особенно при повышенных температурах, рекомендуется вести обработку резанием только острозаточенным инструментом. Это способствует исключению непредвиденных деформаций детали, возникновение которых может снизить качество обработки. В то же время острый режущий инструмент исключает выравнивание частиц материала и уменьшает шероховатость обрабатываемой поверхности.

Всё это приводит к тому, что при обработке пластмасс допустимый износ инструмента существенно меньше, чем при обработке металлов.

Кроме температуры в зоне резания существенным фактором, влияющим на процесс механической обработки пластмасс, является вид и состав наполнителя, твёдые частицы которого оказывают сильное истирающее действие на инструмент, снижая качество обработки.

Режущий инструмент для обработки пластмасс изготовляется из различных инструментальных сталей и сплавов.

При резании листовых пластмасс, содержащих минеральные наполнители, оказывающие абразивное действие на режущий инструмент, дисковые пилы и фрезы на станках могут быть заменены абразивными кругами и алмазными дисками, обеспечивающими чистую кромку распила, большую производительность и стойкость. Как показали исследования, производительность резания стеклопластиков алмазным диском в 1,5-3 раза выше обработки твердосплавными фрезами и дисковыми пилами с одновременным повышением стойкости инструмента приблизительно в 50 раз.

Однако, несмотря на перечисленные преимущества. абразивный инструмент в массовом производстве листовых пластмасс ещё не нашел широкого применения из-за высокой температуры в зоне резания при длительной непрерывной работе даже с обильным охлаждением и из-за быстрого засаливания абразивных кругов.

При резании пластмасс иначе, чем у металлов протекает и процесс стружкообразования . Это объясняется прежде всего различием структуры пластмасс и металлов. С определёнными допущениями можно считать, что все металлы – материалы с кристаллическим строением – имеют практически одинаковые свойства в различных направлениях. Свойства же пластмасс, например слоистых материалов, различны в различных направлениях. Это различие и определяет характер отделения срезаемой части материала и образование стружки в процессе резания.

Несмотря на то, что резание пластмасс сопровождается высокими температурами, процесс образования стружки идёт в основном за счёт упругих деформаций. В силу низкой теплопроводности пластмасс высокие температуры не успевают распространяться из микрослоёв на макрослои стружки и обработанной поверхности. В результате этого образование стружки при обработке большинства пластмасс происходит в основном под действием упругих деформаций.

Производительность того или иного способа механической обработки пластмасс во многом зависит от выбора режимов резания, т.е. от скорости, подачи и глубины резания. Низкое сопротивление пластмасс сжатию и срезу обусловливает небольшие силы резания, что создаёт предпосылки к применению высоких скоростей резания с большими сечениями среза. Однако скоростное резание при обработке пластмасс не используется в достаточной степени в связи с особенностями физико-механических свойств и строения пластмасс.

Увеличение скорости резания в большей степени, чем другие технологические факторы процесса, способствует интенсивному износу инструмента и повышению температуры в зоне резания.

С увеличением подачи снижается стойкость инструмента и значительно ухудшается качество обработанной поверхности, что вызвано в основном ростом сил резания и повышением температуры в зоне резания.

Обработка пластмасс на больших подачах даже при работе режущим инструментом с оптимальной геометрией порождает на обрабатываемой поверхности характерные дефекты (сколы, трещины, расслоения, разлохмачивание наполнителя и т.п.).

В связи с тем, что при всех видах механической обработки пластмасс происходит разогрев материала и режущего инструмента, возникает необходимость в охлаждении зоны резания.

Выбор охлаждающей среды во многом зависит от материала обрабатываемой детали. Например, необходимо помнить, что в процессе механической обработки деталей из винипласта, последние в небольшом количестве выделяют газообразный хлористый водород. Если обработка винипласта осуществляется с применением охлаждающей жидкости, то этот газ не попадает в окружающий воздух, а смешивается с жидкостью. В результате образуется слабый раствор кислоты, вызывающий быстрое ржавление режущих инструментов и оборудования. В данном случае в качестве охлаждающей среды следует применять сжатый воздух.

При обработке некоторых марок слоистых материалов также предпочтительно охлаждение воздухом, так как применение охлаждающей жидкости вызывает разбухание обрабатываемого пластика или изменение его физико-механических свойств, например радиопрозрачности.

В связи с тем, что во время обработки пластмасс образуется много пыли, а в результате нагрева из ряда материалов выделяются вредные для здоровья обслуживающего персонала газообразные вещества (анилин, фенол, хлористый водород и др.), необходимо, чтобы помещение, где производится обработка, имело хорошую вентиляцию, а рабочие места были оборудованы местной вытяжной вентиляцией.

Оборудованием для механической обработки пластмасс, как правило, служат универсальные металлорежущие и деревообрабатывающие станки, а в условиях массового производства – автоматы и полуавтоматы. Высокая производительность достигается на специальном оборудовании. В настоящее время создаются автоматические линии для изготовления изделий из пластмасс, где обработка резанием является одним из основных звеньев технологического процесса.

Механическая обработка вводится иногда для достижения необходимой точности деталей, так как максимально возможная в производственных условиях точность изготовления деталей из пластмасс методами литья, прессования и экструзии не превышает 4-го класса.