Механическая обработка изделий из пластмасс

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины ГВУЗ «Украинский государственный химико-технологический университет»

Кафедра переработки пластмасс и фото-, нанои полиграфических материалов

Контрольная работа

по дисциплине: «Спецтехнология переработки пластмасс»

Тема: Механическая обработка изделий из пластмасс

1. Механическое разрезание пластмасс

1.1 Разрезание приводными ножницами

Такой способ применяется в основном для разрезания листовых термопластов и реактопластов. При производстве таких пластмасс в виде непрерывных лент применяются специальные устройства. Листы определенного размера можно получать за счет прерывистого вертикального движения (типа ножниц) или вращения режущего элемента.

пластмасса точение фрезерование сверление Рис. 1 — Схема устройства ротационной синхронной резки пластмасс Обработка путём вращения режущего элемента обеспечивает наибольшую производительность по сравнению с применением устройств, имеющих конструкцию ножниц. Наиболее эффективным является так называемое ротационное синхронное поперечное разрезание. На рис. 1 показана схема устройства для поперечного разрезания пластика.

Для обеспечения разрезания полотна пластика определенной длины L скорость движения материала к режущему элементу должна быть равномерной. Тогда можно записать уравнение

L=v/n,

где v — скорость движения полотна пластика, м/мин;

n — число разрезов по длине полотна пластика в минуту.

Для безукоризненности процесса разрезания пластика необходима синхронность движения ножа и ленты.

Рис. 2 — Схема взаимного расположения верхнего нижнего ножей Для пояснения конструкции ножей рассмотрим расположение их в устройстве для поперечной резки листов пластика (рис.2). Данная схема наглядно показывает необходимые условия для безукоризненной синхронизации движения ножей и верхнего и нижнего ножей полотна пластика. Причем расположение ножей, верхнего и нижнего, должно быть таким, чтобы создавался принцип разрезания ножницами на всей длине разреза. Оба ножа, и особенно их режущие кромки, должны быть расположены относительно друг друга так, чтобы во время процесса резания ножи прокатывались друг по другу без обгона. Добиться исполнения такого условия установлено, что при алмазной обработке (например, по сравнению с резкой стальными фрезами) производительность процесса повышается до 10 раз, уменьшается количество отходов, а стойкость инструмента увеличивается в 2500 раз.

Во время интенсивной обработки стеклопластиков алмазный инструмент способен противостоять абразивному действию стекловолокон.

Установлено, что с увеличением высоты выступания алмазных зёрен (от 5 до 50 мкм) температура значительно снижается. При дальнейшем увеличении высоты выступания зёрен (до 60 мкм) её изменение незначительно.

При обработке стеклопластиков алмазными отрезными кругами необходимо периодически вскрывать зерна с тем, чтобы высота зёрен над связкой находилась в пределах 40−60 мкм.

Как видно требуется сравнительно небольшое усилие резания для разрезания пластмасс при допустимых скоростях резания в случаях применения алмазного инструмента с охлаждением, но трудно.

1.2 Разрезание абразивным инструментом

Одним из эффективных методов разрезания различных пластмасс является разрезание с помощью абразивных кругов, обеспечивающих высокую производительность и качество обработанных поверхностей.

Хороший результат даёт абразив из крошки твёрдого сплава, пригодный для прорезания пазов, снятия обломов и обработки плоскостей при n=200−3000 об/мин.

Заслуживает внимания конструкция абразивного круга, обеспечивающая отвод теплоты. Такой абразивный круг предназначен в основном для резки термопластов любых видов, когда особенно интенсивно требуется отводить теплоту во избежание коробления обрабатываемого материала. По производительности он во много раз превосходит круги других конструкций.

Абразивные круги применяются для разрезания стержней, трубок и других профилей из пластмасс; при этом обеспечивается хорошее качество разреза. Получаемая незначительная шероховатость говорит о практической приемлемости полученной продукции и об отсутствии необходимости в дальнейшей обработке.

Однако абразивная обработка требует обильного охлаждения, что, конечно, в ряде случаев ограничивает применение абразивного инструмента. Применение охлаждающе-омывающей жидкости при разрезании пластмасс абразивным инструментом является необходимым условием, предупреждающим засаливание круга и выход из его строя. В качестве охлаждающей жидкости применяется вода. Расход воды составляет около 3 л/мин, что вполне достаточно для захватывания абразивной пыли и очистки пор.

Обработка пластмасс абразивным инструментом имеет некоторые преимущества по сравнению, например, с обработкой дисковыми пилами. В начальной стадии поверхность абразивных зерен покрыта цементирующей связкой, поэтому с обрабатываемой пластмассой кроме режущих граней абразивных зерен соприкасается еще и цементирующая связка, что вызывает дополнительно довольно большое трение. По мере исчезновение слоя цементирующей связки и выпадения изношенных абразивных зерен обнажаются новые зерна с острыми режущими гранями, т. е. происходит процесс самозатачивания круга.

1.3 Разрезание дисковыми фрезами

Разрезание пластмасс дисковыми фрезами производится на горизонтально-фрезерных станках. Диаметр фрез D=200−300 мм, толщина b=3−5 мм, а скорость резания, например винипласта, v=600−1000 м/мин.

Для разрезания пластмасс обычно применяют стандартные дисковые фрезы. По сравнению с аналогичной обработкой металлов стружка, получающаяся при разрезании пластмассы, более интенсивно забивает пространство между зубьями. Поэтому с целью лучшего размещения стружки рекомендуется через каждые 4−5 зубьев фрезы один зуб сошлифовать. Дисковые фрезы, оснащенные пластинами из твёрдых сплавов, обладают более высокой износостойкостью и позволяют производить o6работк пластмасс с более высокими скоростями резания. Разрезание (фрезерование) дисковыми фрезами имеет много общего с операцией разрезания дисковыми пилами. Однако этот вид обработки более производителен и обеспечивает более высокое качество разреза. Разрезание дисковыми фрезами широко используется при обработке слоистых армированных пластиков, таких как гетинакс, текстолит, стеклопластик, ДБСП и др.

Для разрезания пластмасс на хлопчатобумажной основе (текстолиты) и основе из стеклоткани (стеклопластики) применяются дисковые фрезы с остроконечными зубьями, расположенными под углом 20−55° к оси фрезы.

Если дисковые фрезы имеют зубья без развода, то при разрезании, например, органического стекла, винипласта, фторопласта, полистирола и т. п. возникает большое трение торцов фрезы о материал, что может привести к перегреву и преждевременному выходу фрезы из строя. Поэтому лучше применять фрезы с разведенными зубьями, например фрезы со вставными ножами из твердого сплава. Для уменьшения нагревания обработку следует вести на больших скоростях при сравнительно небольших подачах. При необходимости дополнительного охлаждения может применяться сжатый воздух или эмульсия, в. зависимости от обрабатываемой пластмассы.

При разрезании листовых термопластов на основе полимеров винилхлорида, фторопласта, целлюлозы, а также слоистых армированных пластиков, включая стеклопластик, следует применять фрезы, оснащенные пластинками из твёрдого сплава. Дисковые фрезы из быстрорежущей стали имеют очень небольшую стойкость, так как при обработке этих материалов интенсивно изнашиваются главные и вспомогательные режущие грани зубьев фрез.

Применение алмазной заточки повышает стойкость фрез и позволяет резко сократить такой характерный брак, как сколы, расслоения и вырывы на обрабатываемых поверхностях.

Стойкость дисковой фрезы может определяться как зависимость от скорости резания, подачи и толщины разрезаемых изделий.

Для всех случаев применения дисковых фрез стойкость их может достигать 90−120 мин.

1.4 Разрезание ленточными пилами

Ленточными пилами можно разрезать пластмассы значительно большей толщины, чем дисковыми, и, кроме того, контур разрезания в данном случае не ограничивается только прямой линией, а может быть криволинейным. Ленточные пилы наиболее эффективны для разрезания пластмасс при толщине более 25 мм.

Ленточные пилы для разрезания пластмасс удобны тем, что хорошо отводят тепло от зоны резания по сравнению, например, с дисковыми пилами.

Для продолжительной работы более экономично использовать ленточные пилы для разрезания металла, так как они обладают более высокой стойкостью по сравнению с ленточными пилами, применяемыми для разрезания дерева.

Полотна ленточных пил выбирают в зависимости от требований к качеству и виду разреза. Широкие полотна как более жесткие применяются для получения длинных, прямых разрезов. Так, например, для разрезания длинных листов или заготовок толщиной свыше 25 мм можно использовать с шириной полотна 22 — 28 мм. При этом скорость резания должна быть в пределах 300 — 450 м/мин. Существует несколько видов ленточных пил. На рис. 1 показаны типовые профили зубьев некоторых из них: ленточная пила с задней заточкой зубьев (рис. 3, а) используется при повышенных скоростях резания, однако, для разрезания пластмасс применяется редко из-за малой стойкости;

наиболее распространенным видом ленточной пилы является пила с зубьями елочного типа (рис. 3, б);

ленточная пила с большим шагом зубьев и широкими впадинами (рис. 3, в) обеспечивает хороший выброс опилок и уменьшает тепловыделение, что позволяет разрезать пластмассы при повышенных скоростях.

Рис. 3 — Типовые профили зубьев ленточных пил: а — с задней заточкой; б — ёлочного типа; в — с большим шагом зубьев и широкими впадинами Ленточные пилы рекомендуется применять для разрезания особо толстых плит, для получения деталей (заготовок) сравнительно произвольного очертания, а также в случаях, когда не требуется большой точности обработки и не предъявляется особых требований к шероховатости поверхности среза.

При выборе толщины полотна пилы желательно учитывать следующее: если толщина листа составляет 10 мм, то полотно пилы должно иметь толщину не менее 2 мм; для листа толщиной 30 мм (или нескольких сложенных в кипу листов меньшей толщины) толщина полотна должна быть не менее 6 мм.

1.5 Разрезание дисковыми пилами

Дисковыми пилами производят только прямую разрезку, при этом получается более качественный срез, чем, например, при разрезании ленточной пилой.

Листовые термопласты толщиной 3−15мм разрезаются дисковыми пилами диаметром 150−350мм, толщиной 2−5мм и шагом зубьев 2−8мм. Частота вращения дисковых пил обычно составляет 2000;3000об/мин. Посадка дисковой пилы на шпиндель станка или вал электродвигателя должна быть плотной. Биение диска пилы недопустимо, так как приводит к неровностям поверхности среза и выбоинам в готовом изделии или заготовке.

Дисковые пилы при работе рекомендуется смазывать маслом или охлаждать струёй сжатого воздуха.

Рис. 4 — Дисковая пила со сложным профилем зубьев

На рис. 4 показана конструкция дисковой пилы со сложным профилем зубьев.

Дисковая пила должна быть острозаточенной. При непрерывной работе заточку пил следует производить через каждые 30−40мин работы, что обеспечивает хорошее качество среза.

Хорошее качество поверхности разреза слоистых армированных реактопластов получается при использовании дисковых пил, предназначенных для разрезания древесины. При разрезании листовых термопластов дисковыми пилами обрабатываемый лист укладывается на стол станка, покрытый, например, байкой или фланелью. Лист термопласта должен быть хорошо прижат к столу, так как из-за возможной вибрации грани разреза могут растрескиваться.

Дисковые пилы применяются для разрезания и таких пластмасс как, например, полиэтилен, винипласт, полистирол, целлулоид, фибра, фибролит и др.

Во всех случаях использования дисковых пил рекомендуется для хорошего удаления стружки через каждые 4−5 зубьев делать кольцевые выемки. Для уменьшения разогрева пластмассы торцы дисковой пилы должны быть хорошо отшлифованы.

Дисковыми пилами можно разрезать пластмассы и большей толщины (например, до 25−30мм) при допуске по длине и ширине от ±1,5 до ±0,15 мм в зависимости от длины разреза.

Разрезание пластмасс дисковыми пилами сопровождается сильным шумом. Поэтому такой способ разрезания можно рекомендовать лишь для небольшого количества деталей или заготовок.

Обработку дисковыми пилами деталей из слоистых армированных реактопластов типа стеклопластиков (при высоких требованиях к чистоте поверхности в месте разрезания) производить не рекомендуется, так как дисковые пилы при окружных скоростях более 600 м/мин быстро выходят из строя.

1.6 Разрезание струями жидкости высокого давления

В настоящее время широкое применение в различных отраслях промышленности находят способы обработки и разделения твердого тела на части потоками энергии от различных энергоисточников: обработка ультразвуковая и электроэрозионная; при помощи плазменных и лазерных установок; в магнитном поле ферромагнитными порошками; обработка и разделение материалов абразивно-жидкостными струями; разрушение и разрезание различных твёрдых тел гидроструями.

Перечисленные методы эффективно применяются при обработке материалов любой твёрдости, вязкости, хрупкости и химической активности, не требуют применения инструмента из более твердого материала, чем материал обрабатываемого изделия, при обработке нет жёсткой замкнутой цепи в системе СПИД, что повышает качество и точность обработки.

Некоторые из указанных способов используются и для обработки полимерных материалов. Например, применение ультразвука для разрезания полимеров дает хорошие результаты (повышается производительность) при получении фигурных профилей любой сложности, но при прямолинейном разрезании производительность намного ниже, чем при использовании дисковых пил и фрез.

Исследования показали, что тонкими струями жидкости (диаметром 0,1−0,3 мм) высокого давления (более 1000 кгс/см2) возможно качественное и производительное разрезание различных листовых пластиков.

Разрезание листовых полимерных материалов тонкими струями жидкости высокого давления является сложным гидродинамическим процессом. Для того, чтобы процесс гидравлического разрушения протекал эффективно, производительно и с наименьшими энергетическими затратами, необходимо правильно выбрать параметры струи жидкости, которые зависят от давления истечения и диаметра сопла.

Установлено, что скорость струи убывает как по оси с удалением от сопла, так и в поперечном сечении от центра к периферии, сохраняя своё первоначальное значение в нераспавшемся участке струи. Это происходит потому, что напорный поток жидкости, покинув сопло, попадает в воздух, т. е. в среду, плотность которой в 800 раз меньше плотности вещества струи (воды).

В настоящее время широкое применение в различных отраслях промышленности находят способы обработки и разделения твердого тела на части потоками энергии от различных энергоисточников: обработка ультразвуковая и электроэрозионная; при помощи плазменных и лазерных установок; в магнитном поле ферромагнитными порошками; обработка и разделение материалов абразивно-жидкостными струями; разрушение и разрезание различных твёрдых тел гидроструями.

Перечисленные методы эффективно применяются при обработке материалов любой твёрдости, вязкости, хрупкости и химической активности, не требуют применения инструмента из более твердого материала, чем материал обрабатываемого изделия, при обработке нет жёсткой замкнутой цепи в системе СПИД, что повышает качество и точность обработки.

Некоторые из указанных способов используются и для обработки полимерных материалов. Например, применение ультразвука для разрезания полимеров дает хорошие результаты (повышается производительность) при получении фигурных профилей любой сложности, но при прямолинейном разрезании производительность намного ниже, чем при использовании дисковых пил и фрез.

Исследования показали, что тонкими струями жидкости (диаметром 0,1−0,3 мм) высокого давления (более 1000 кгс/см2) возможно качественное и производительное разрезание различных листовых пластиков.

Разрезание листовых полимерных материалов тонкими струями жидкости высокого давления является сложным гидродинамическим процессом. Для того, чтобы процесс гидравлического разрушения протекал эффективно, производительно и с наименьшими энергетическими затратами, необходимо правильно выбрать параметры струи жидкости, которые зависят от давления истечения и диаметра сопла.

Установлено, что скорость струи убывает как по оси с удалением от сопла, так и в поперечном сечении от центра к периферии, сохраняя своё первоначальное значение в нераспавшемся участке струи. Это происходит потому, что напорный поток жидкости, покинув сопло, попадает в воздух, т. е. в среду, плотность которой в 800 раз меньше плотности вещества струи (воды).

Рис. 5 — Схема резания листового пластика струёй жидкости высокого давления и параметры процесса Под действием турбулентных пульсации внутри струи и в результате взаимодействия с окружающей средой на поверхности струи образуются неровности в виде волн. По мере удаления от сопла взаимный обмен массами между струей и окружающей средой увеличивается, что приводит к появлению разрывов в структуре струи и её расширению. Насыщение струи воздухом (аэрация) начинается с её поверхности и постепенно проникает внутрь струи. В струе выделяется сплошное ядро потока жидкости с постоянной скоростью движения, равной скорости истечения из сопла. Диаметр этого ядра по мере удаления от сопла уменьшается до нуля. Участок струи, в пределах которого сохраняется ядро сплошного нерасплывшегося потока, называется начальным. В начальном участке осевой напор, скорость и плотность струи не изменяются.

За пределами начального участка струи осевые продольные скорости и динамическое давление постепенно уменьшаются по гиперболической зависимости в результате расширения и распада струи. Вследствие этого принято считать основным рабочим участком струи такое расстояние от сопла, на котором ещё не происходит полный разрыв потока жидкости по её сечению на отдельные части.

Длина начального участка струи зависит от многих факторов, среди которых наиболee важными являются исходные параметры струи (давление истечения, диаметр сопла), конструктивные особенности сопла и чистота обработки его внутренней поверхности.

Очевидно, что эффективность процесса гидрообработки пластмасс, помимо указанных факторов (давления истечения, диаметра сопла и расстояния между соплом и обрабатываемым материалом), зависит также от физико-механических свойств обрабатываемого материала ур, его толщины h, ширины обработки B и величины подачи материала относительно струи s. Следовательно, в более общей постановке вопроса эффективность процесса гидрорезания является функцией трёх групп переменных величин.

К первой группе относятся величины, характеризующие энергетические параметры струи — давление истечения, диаметр сопла и расстояние между соплом и обрабатываемым материалом. Ко второй группе относятся физико-механические свойства обрабатываемого материала, характеризующие сопротивляемость материала разрушению; Третья группа величин определяет объём разрушенного в зоне резания материала в единицу времени. К ним относятся: скорость перемещения материала относительно струи (подача), толщина обрабатываемого материала и ширина реза.

Следует отметить, что с увеличением давления истечения струи и уменьшением диаметра сопла производительность процесса гидрорезания увеличивается, а шероховатость обработанной поверхности уменьшается.

Стружка, полученная в результате гидрорезания пластмасс, представляет собой мукообразную массу с размером частиц от 0,001 до 0,04 мм.

На производительность и качество обработанной поверхности большое влияние при гидрорезании оказывает расстояние между соплом и обрабатываемым материалом.

При резании листовых пластмасс двумя струями эмульсии с начальным диаметром 0,12 мм и расположенными друг за другом в направлении подачи производительность процесса увеличивается по сравнению с использованием одной струи того же диаметра: при разрезании винипласта — в 1,8.раза; при разрезании гетинакса — в 1,72 раза; при разрезании стеклопластика CBAM — в 1,67 раза. Т. е. производительность процесса не повышается даже в два раза, в то время как энергетические затраты на формирование двух струй возрастают вдвое.

Качество обработанной поверхности при разрезании пластмасс соплом с двумя отверстиями не удовлетворяет техническим требованиям, предъявляемым к данным материалам.

Наиболее эффективными при гидрорезании листовых пластмасс являются струи малых диаметров (dc=0,1−0,3 мм) и высоких давлений (р?1000 кгс/см2). Однако струи таких параметров являются еще малоизученной областью гидродинамики.

При резании наполненных полимеров тонкими струями жидкости высокого давления вследствие локализации разрушающих напряжений в малых объёмах и за счёт большой скорости приложения нагрузки (более 500 м/с) от основной массы материала отрываются мельчайшие частицы размерами в несколько микрометров. Эти частицы соизмеримы, например, с диаметральными размерами стекловолокна, и, следовательно, струя жидкости при разрезании преодолевает сопротивление разрушению не целой композиции, а отдельных её частей. Известно, что прочностные характеристики составных частей наполненных полимеров значительно ниже, чем композиции в целом.

С ростом предела прочности материала на разрыв при постоянных энергетических параметрах струи энергоемкость процесса увеличивается вследствие снижения полезной площади обработанной поверхности. С увеличением прочности разрушаемого материала работа, идущая на разрушение единицы объема, увеличивается, что и вызывает снижение величины подачи и увеличение энергоёмкости процесса.

Время разрушения материала в зоне резания возрастает значительно быстрее толщины, так как за время восстановления кинетической энергии рабочих участков струи и разрушающего продвижения струи вглубь материала лист пластика успевает пройти в радиальном направлении (относительно струи) определённое расстояние. Это влечёт за собой увеличение объёма разрушенного материала в единицу времени и требует уменьшения подачи, увеличивая энергоёмкость.

Промышленное применение высоконапорных струй жидкости для разрезания различных полимерных материалов небольшой толщины даёт возможность полностью механизировать и автоматизировать процесс обработки; исключить из технологического цикла механический режущий инструмент, режущие кромки которого непрерывно изнашиваются, и освободить обслуживающий персонал, связанный с изготовлением и переточкой инструмента; повысить качество обработки и снизить отходы материала в стружку; значительно снизить шум и полностью ликвидировать запыленность рабочего места; вырезать изделия из пластмасс фигурного профиля различных размеров.

1.7 Разрезание алмазным инструментом

Установлено, что при алмазной обработке (например, по сравнению с резкой стальными фрезами) производительность процесса повышается до 10 раз, уменьшается количество отходов, а стойкость инструмента увеличивается в 2500 раз.

Во время интенсивной обработки стеклопластиков алмазный инструмент способен противостоять абразивному действию стекловолокон.

Установлено, что с увеличением высоты выступания алмазных зёрен (от 5 до 50 мкм) температура значительно снижается. При дальнейшем увеличении высоты выступания зёрен (до 60 мкм) её изменение незначительно.

При обработке стеклопластиков алмазными отрезными кругами необходимо периодически вскрывать зерна с тем, чтобы высота зёрен над связкой находилась в пределах 40−60 мкм.

Как видно требуется сравнительно небольшое усилие резания для разрезания пластмасс при допустимых скоростях резания в случаях применения алмазного инструмента с охлаждением.

2. Точение

2.1 Точение стеклопластиков алмазными резцами

С целью повышения производительности труда и обеспечения высокого качества обработанной поверхности при обработке стеклопластиков следует применять алмазные резцы.

Для получения шероховатости поверхности V5 — V6 вводится операция тонкого алмазного точения, которая ведётся с малыми сечениями среза t=0,65 — 0,3 мм при большой скорости резания v =700 — 1000 м/мин и подаче s=0,01 — 0,06 мм/об.

Стойкость алмазных резцов при оптимальном износе 0,14 — 0,16 мм большe, чем стойкость резцов, оснащённых пластиками твёрдого cплава, в 20 раз, что способствует увеличению длительности работы без подналадок и обеспечивает большую точность обработанных изделий.

Использование алмазных резцов позволяет не только повысить качество обработанной поверхности, но и значительно повысить производительность труда при точении стеклопластиков.

Рис. 6 — Сборный алмазный резец: 1 — корпус, 2 — накладной прижим, 3 — винт, 4 — режущая вставка, 5- алмазное зерно

Точение стеклопластиков алмазными резцами производится с глубиной резания до 0,9 от величины максимального вылета зерна алмаза из державки резца, что позволяет вести обработку на глубинах до 1,5 мм резцами с зерном алмаза 0,8−1,0 карат.

При точении алмазными резцами следует помнить о том, что температура в зоне резания при обработке стеклопластиков не должна превышать 650 °C, так как при этой температуре и выше режущие свойства алмаза снижаются, а при температуре свыше 800 °C алмаз постепенно превращается в графит или аморфный углерод.

Алмазный инструмент рекомендуется также использовать для точения и других реактопластов при длительных режимах работы с целью обеспечения стабильности размеров.

2.2 Точение реактопластов

Технологический процесс токарной обработки термореактивных материалов примерно соответствует технологическому процессу обработки термопластов, однако ввиду специфики их строения и структуры имеет свои особенности.

Производительность процесса токарной обработки во многом зависит от выбора режимов резания, т. е. скорости, подачи и глубины резания. Скорость резания в большей степени, чем другие технологические факторы процесса, способствует интенсивному износу режущего инструмента, что вызывает ухудшение качества обработки. В зависимости от марки обрабатываемого пластика скорость резания принимается в широких пределах: от 20 м/мин при точении стеклопластика дo 800 м/мин при обработает текстолита.

Повышение скорости резания увеличивает работу трения и упругих деформаций в единицу времени при практически неизменной теплопроводности инструмента и обрабатываемого материала и вызывает увеличение температуры в зоне резания, что повышает интенсивность износа режущей кромки и приводит к термодеструкции полимера. С повышением температуры поверхностного слоя выше температуры деструкции при обработке стеклопластиков увеличивается их истирающая способность, так как деструкция связующего приводит к интенсификации окислительного износа и к увеличению абразивных свойств наполнителя.

Подача и глубина резания оказывают меньшее влияние на стойкость резцов при точении реактопластов.

Увеличение подачи сопровождается повышением давления на единицу длины режущего лезвия, вследствие чего возрастает сила резания и, следовательно, интенсивность износа резца. В то же время длина пути трения режущей кромки, приходящейся на единицу веса снятого материала, изменяется обратно пропорционально подаче, в силу этого с увеличением подачи износ уменьшается. Таким образом, изменение подачи характеризуется суммарным влиянием на стойкость резца силы резания и пути трения, которые в незначительной степени компенсируют друг друга.

Изменение глубины резания характеризуется постоянным давлением на единицу длины режущего лезвия. При этом пропорционально глубине резания изменяются активная длина режущей кромки, площадь среза, площадь контакта трущихся пар и силы резаний.

При увеличении глубины резания от 1,5 до 4 мм удельный весовой износ резцов остаётся постоянным. Однако следует учитывать, что увеличение глубины резания вызывает снижение частоты обрабатываемой поверхности.

Для определения наивыгоднейшей скорости резания можно воспользоваться формулой:

v=Cv/(Txt ys2)*KTvKCv,

где Cv, x, y, z — эмпирические коэффициенты; KTv, KCv — поправочные коэффициенты.

Следует отметить, что слоистые пластики являются упругими, а не жёсткими материалами, поэтому все допуски на обработку необходимо задавать с учётом упругости пластмасс, а также в зависимости от конечного применения обрабатываемой детали.

Наибольшие трудности возникают при точении слоистых пластиков со стекловолокнистым и асбестовым наполнителем. При токарной обработке этих материалов из-за наличия твёрдых составляющих (стекловолокна) и высокой абразивности стеклопластиков повышается температура в зоне резания, увеличивается износ инструмента, уменьшается точность размеров детали, ухудшается чистота обработанной поверхности.

Широко используемые быстрорежущие стали для обработки термопластичных и термореактивных пластмасс с органическими наполнителями оказались практически непригодными для обработки стеклопластиков, а инструменты с распространёнными при точении металлов пластинками твёрдого сплава Т15К6 и Т5К10 — малоэффективными.

По данным исследований режущих свойств твёрдых сплавов при точении стеклопластиков наибольшей стойкостью обладают твёрдые сплавы группы ВК с минимальным содержанием кобальта.

Однако эти сплавы обладают повышенной хрупкостью и весьма чувствительны к ударам и вибрациям, что порождает определённые трудности при заточке и эксплуатации инструмента. В связи с этим резцы, оснащённые таким сплавом, рекомендуется использовать для чистовой и получистовой обработки пластмасс. Черновую обработку следует производить резцами ВК6М.

Наибольшую стойкость при обработке стеклопластиков показывают резцы с малыми углами заострения и большими задними углами, так как с уменьшением угла заострения уменьшается величина радиуса округления режущей кромки, а большие значения задних углов уменьшают последействие обрабатываемого материала.

Применение рекомендованных марок твёрдых сплавов для режущего инструмента и геометрических параметров его режущей части позволяет в 1,5 — 2 раза повысить стойкость резцов, значительно улучшить качество поверхности и обеспечить более высокую производительность обработки.

Производительность токарной обработки стеклопластиков в значительной степени зависит от требований к качеству обработанной поверхности, так как с увеличением износа инструмента качество обработанной поверхности ухудшается настолько интенсивно, что учёт износа приобретает первостепенное значение. С увеличением износа резца увеличивается шероховатость обработанной поверхности, появляются сколы, отслоения, прижоги. Характерным при этом является то, что механические разрушения обработанной поверхности наступают при меньших величинах износа резца, чем термические.

Существенное влияниe на обрабатываемость стеклопластиков оказывает состав наполнителя и метод изготовления.

Влияние методов изготовления на обрабатываемость объясняется различной степенью плотности материала в стеклопластиках и различными прочностными характеристиками.

При точении реактопластов для снижения температуры в зоне резания и повышения стойкости резца желательно применять смазочно-охлаждающие жидкости.

Вследствие изменения диэлектрических свойств некоторых пластмасс под действием воды, растворов соды и мыла и невозможности в связи с этим применять смазочно-охлаждающие жидкости рекомендуется охлаждать режущий инструмент струёй сжатого воздуха.

Для удаления вредных для здоровья обслуживающего персонала стружки, пыли и газов при резании реактопластов необходимо применять пылеотсасывающие устройства.

2.3 Точение изделий из пластмасс

Для изготовления пластмассовых изделие, имеющих форму тел вращения: деталей из труб, блоков, стержней заготовок шестерен, втулок, вкладышей подшипников скольжения, шкивов, колец, прокладок, пробок и т. д., применяется токарная обработка. Операция точения имеет до сих пор большое распространение, несмотря на то, что при точении в отдельных случаях получается значительное количество отходов в виде стружки (до 60%).

Токарная обработка пластмасс производится как на стандартных универсальных металлорежущих станках, так и на специальном высокопроизводительном полуавтоматическом и автоматическом оборудовании.

Более низкая плотность и меньшая прочность на сдвиг и на срез пластмасс по сравнению с металлами обусловливают при точении небольшие силы резания и малую потребную мощность даже при относительно больших сечениях стружки. Поэтому при резании полимеров в единичном и мелкосерийном производствах используется лёгкое оборудование с большим диапазоном скоростей, бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя и продольных подач, оснащённое устройствами для быстрого разгона и торможения.

Для точения прутковых или стержневых литых заготовок и цилиндрических деталей из пластмасс применяются простые токарные станки с цанговым креплением заготовки и набором зажимных цанг различных конструкций.

При массовом выпуске изделий из пластмасс точение осуществляется на прутковых токарно-револьверных полуавтоматах и автоматах и специальном автоматическом оборудовании.

Применяется также и специальное однооперационное оборудование типа токарно-лущильных станков для получения бесконечной ленты-плёнки из цилиндрической заготовки. Такие станки первоначально применялись для получения целлулоидной пленки или тонкого листа.

Цилиндрический блок заготовки зажимается в центрах станка и приводится во вращение шпинделем передней бабки. На перпендикулярном к оси блока столе монтируется суппорт с ножевым резцом. Для сохранения постоянной скорости резания при уменьшающемся диаметре заготовки число оборотов шпинделя должно непрерывно увеличиваться. При постоянстве скорости резания достигается постоянство усилия резания, обеспечивающее высокую точность толщины плёнки. Для этой цели в кинематическую цепь привода шпинделя встроен автоматический вариатор скорости. Срезаемый резцом слой плёнки образует ленту, наматываемую на специальный барабан. В настоящее время такие станки применяются для получения плёнки из фторопласта.

При серийном изготовлении деталей из пластмасс используются и фасонные резцы, которые нашли широкое применение для обточки сложных поверхностей.

Для изготовления режущего инструмента, используемого при точении пластмасс, применяются различные инструментальные стали, сплавы и материалы: углеродистая и быстрорежущая сталь, твёрдые сплавы, керамика, алмазы.

При длительной непрерывной работе, особенно на поточных линиях, быстрорежущий инструмент требует частой переточки и замены, что снижает производительность и усложняет технологию процесса.

Многолетний практический опыт в области резания пластмасс и наблюдения за изменением производительности процесса показывают, что резцы, оснащённые пластинками из твёрдого сплава значительно лучше противостоят абразивному износу пластмасс, обладают большой теплопроводностью, меньшим предельным теплосодержанием и поэтому имеют большую стойкость при обработке слоистых материалов и рекомендуются при массовом выпуске продукции.

Согласно опытным данным при обработке конструкционных пластмасс с наполнителем значения сопротивления износу резцов, изготовленных из углеродистой и быстрорежущей сталей и оснащённых пластинками из твёрдого сплава, относятся соответственно как 1: 2: 17.

Применяемые конструкции твердосплавных резцов делятся на три группы: резцы с напаянными пластинками; резцы с механическим креплением вставки с напаянной пластинкой; резцы с механическим креплением пластинки.

При точении пластмасс наибольшее применение находят резцы первой группы, отличающиеся простотой конструкции и изготовления, универсальностью, удобством и надёжностью в работе. Основное их преимущество — хороший отвод тепла из зоны резания, что особенно важно при обработке материалов с плохой теплопроводностью, какими и являются полимеры.

Широко применяются также резцы с многогранными сменными твердосплавными пластинками. Такие резцы не нуждаются в стружколомах или специальной геометрии режущей части для дробления стружки, так как стружка при точении этими резцами получается мелкой и разрозненной.

Большое распространение получили в настоящее время для токарной обработки пластмасс резцы с керамическими пластинками, успешно заменившими в ряде случаев пластинки из твёрдого сплава.

Для снижения температуры в зоне резания и увеличения стойкости резцов стальной инструмент целесообразно подвергать полировке по задней и передней поверхностям или хромировать. При заточке инструмента из твёрдого сплава хорошие результаты даёт доводка режущих граней пастой из карбида бора. Это способствует значительному уменьшению трения и непрерывному и быстрому удалению стружки.

Режимы резания при точении пластмасс устанавливаются в зависимости от обрабатываемого материала, материала резца и технических требований, предъявляемых к изделию.

2.4 Резание термопластов

Термопластичные материалы: винипласт, оргстекло, полистирол, полиэтилен, фторопласт-4 и др., сравнительно легко обрабатываются точением, но требуют специальной технологии. При точении термопластов режущий инструмент почти не изнашивается и повышение режимов резания с целью увеличения производительности ограничивается чаще не стойкостью резца, а теплостойкостью обрабатываемого материала, так как с увеличением скорости резания и подачи увеличивается температура в зоне резания и если она превосходит допустимую для данной пластмассы, то качество обработанной поверхности снижается, что зачастую приводит к браку. Поэтому производительность токарной обработки термопластов зависит в основном от требований к качеству обрабатываемой поверхности.

Так как при обработке термопластов износ резцов незначителен, целесообразно применять при точении более дешёвый инструмент.

Выбор режимов резания при обработке термопластов точением зависит от типа обрабатываемого материала, стойкости режущего инструмента и его охлаждения, выбранного оборудования, продолжительности непрерывной обработки и требований к качеству обработанной поверхности.

Такие тepмопласты, как капрон, полистирол ПТ-3 (эмульсионный полистирол с наполнителем из обожженной двуокиси титана), являются труднообрабатываемыми материалами. Точение их производят на низких скоростях резания: 40 — 50 м/мин для резцов из быстрорежущей стали и 110 — 300 м/мин для твердосплавных резцов. При работе на повышенных скоростях капрон и полистирол ПТ-3 плавятся, размягчённый материал затормаживается и частично налипает на переднюю поверхность резца, образуя, нарост, что ведёт к увеличению сил резания и, следовательно, ухудшает качество обработанной поверхности.

Шероховатость обработанной поверхности в большей степени зависит от радиуса закругления вершины резца. Чистота поверхности улучшается с увеличением радиуса закругления.

Глубина резания при точении термопластов мало влияет на качество обработанной поверхности.

Необходимо отметить, что обработку точением термопластов при очень малых глубинах вести даже нежелательно, так как за счет упругих деформаций системы СПИД резец отжимается и начинает «скрести» обработанную поверхность, что увеличивает её шероховатости.

Качество поверхности при точении термопластов во многом зависит от характера и величины деформации обрабатываемого материала в процессе обработки. Деформация термопластов, силы резания и их направление при точении зависят от типа обрабатываемого материала, режимов резания и геометрии режущего инструмента Для каждого режима и для каждого обрабатываемого материала существует такой передний угол, при котором направление равнодействующей силы резания точно совпадает с направлением резания. Деформации обрабатываемого материала в этом случае сводятся до минимума, что обеспечивает наилучшее качество обработки и набольшую точность деталей. Таким образом, при обработке термопластов режущая кромка должна быть острозаточенной. Резец должен резать материал, а не мять его. Острота режущего инструмента обеспечивается большими значениями переднего и заднего углов, которые при точении различных материалов определяются экспериментально. Критерием при этом служит качество обработанной поверхности и стойкость инструмента.

Стружка при точении термопластов бывает в основном двух типов: сливная (непрерывная) и элементная. Предпочтительнее сливная стружка, так как элементная стружка, образующаяся при малых или отрицательных передних углах и небольших скоростях резания, оказывает непрерывно изменяющееся давление на резец, что вызывает его вибрацию и ухудшает качество обработанной поверхности. Однако при обработке винипласта, оргстекла, фторопласта-4 с большими скоростями резания образование непрерывной стружки и её сход мешают нормальному точению. Поэтому необходимо следить, чтобы стружка хорошо отделялась от обрабатываемой детали и не наматывалась на инструмент и изделие. Наматывание стружки на резец затрудняет дальнейшую обработку или делает ее вообще невозможной. Снятие стружки затруднительно и занимает много времени.

При массовом выпуске изделий из термопластов в настоящее время используются методы точения, основанные на принципах групповой технологии, или обработка фасонными резцами. Режимы резания при этом зависят от конфигурации детали и определяются опытным путём.

Во избежание сколов на кромках деталей рекомендуется на заготовках делать фаски со стороны выхода инструмента или обрабатывать детали, собранные в пакет.

С целью предотвращения деформации тонкие детали необходимо зажимать равномерно по окружности вместо зажима их в трёх точках.

На точность обработки термопластов точением оказывает большое влияние длина обработки, толщина стенок втулок, точность станка, геометрия инструмента и режимы резания. Допустимая точность при точении термопластов достаточно высока и находится в пределах 2 — 3-го классов.

Поскольку большинство термопластов отличаются высоким коэффициентом теплового расширения, измерение обработанных деталей (контроль) следует выполнять на охлаждённых деталях.

Правильно подобранные скорость и глубина резания и геометрия режущего инструмента позволяют обрабатывать детали из термопластов на токарном станке без охлаждения.

При изготовлении изделий сложной конфигурации фасонными резцами или резцами из быстрорежущей стали с использованием больших скоростей резания может потребоваться дополнительное охлаждение детали и инструмента. Охлаждение можно производить или струёй сжатого воздуха или жидкостью. При охлаждении сжатым воздухом струю направляют в зону резания таким образом, чтобы одновременно происходил отвод стружки. В качестве охлаждающей жидкости при обработке термопластов применяется 5%-ный водный раствор эмульсола в количестве 5 л/мин.

При точении полистирола лучшие результаты даёт распыленная вода с добавкой 10−15 г NaN03 на 1 л воды.

3. Фрезерование

3.1 Фрезерование реактопластов

Для обработки деталей из термореактивных пластмасс применяются фрезы из быстрорежущей стали и с пластинками твёрдого сплава. Быстрорежущие фрезы применяются в основном в индивидуальном и мелкосерийном производстве для обработки гетинакса, текстолита, аминопластов и других материалов, не обладающих резко выраженными абразивными свойствами. При фрезеровании стеклопластиков быстрорежущий инструмент, как правило, не применяется, так как стойкость фрез в этом случае оказывается настолько низкой, что не удовлетворяет требованиям даже индивидуального производства.

Несмотря на огромную разницу в твёрдости и в прочностных показателях у пластмасс и материала режущего инструмента, износ последних в процессе фрезерования происходит довольно интенсивно. Это объясняется специфическими физико-механическими свойствами полимеров.

Основная работа резания при фрезеровании направлена на преодоление трения и упругих деформаций обрабатываемого материала.

В зависимости от материала наполнителя слоистые пластики с одной и той же основой (например, фенолформальдегидной смолой) имеют различные физико-механические показатели, что сказывается на их обрабатываемости. Сравнительная изнашиваемость фрез при фрезеровании текстолита, гетинакса и стеклотекстолита выражается соответственно величинами 0,75:1,0:1,85.

При использовании быстрорежущих фрез на универсальном оборудовании при обработке гетинакса и текстолита целесообразно работать с максимальными подачами, допускаемыми конструкцией станка и техническими условиями, поскольку снижение подачи понижает предельное значение износа зубьев, до которого ещё возможна качественная обработка изделия.

При больших обрабатываемых поверхностях и более высокой точности обработки можно применять обычные цилиндрические фрезы для обработки металлов или специальные фрезы с острозаточенными пластинками из твёрдых сплавов.

Операция фрезерования достаточно часто применяется для нарезания зубчатых колёс на заготовках, изготовленных из отливок в форме дисков.

3.2 Фрезерование термопластов

Детали из термопластов — оргстекла, винипласта, полиэтилена, капрона, фторопласта и др. хорошо обрабатываются инструментами, изготовленными из инструментальной и быстрорежущей стали.

В зависимости от типа термопластичного материала скорости резания изменяются в пределах от 30 до 1000 м/мин, а подача от 0,02 до 1 мм/об.

Поливинилхлорид (твёрдый и пластифицированный) хорошо и экономично обрабатывается фрезерованием на быстроходных фрезерных станках. Для фрезерования поливинилхлорида пригодны фрезы, предназначенные для обработки металлов, при этом предпочтение следует отдать фрезам, применяемым для обработки лёгких сплавов. Такие фрезы имеют увеличенный объем канавок и большой наклон спирали, что обеспечивает хороший сход стружки.

Глубина фрезерования зависит от прочности закрепления детали и инструмента и может составлять 15 — 20 мм. Максимальная подача при этом равна 2 мм/об.

При фрезеровании не образуется непрерывной стружки, как это наблюдается при токарной обработке поливинилхлорида. Стружка получается в виде короткой спирали, отдельных пластин или крошки (стружка скалывания) и может быть легко удалена сдуванием сжатым воздухом, используемым для охлаждения.

Фрезерование капрона можно производить стандартными фрезами, используемыми для обработки металла (модульными, концевыми фрезами для прорезания шпоночных канавок, пальчиковыми фрезами и т. д.), но при этом обязательно должно соблюдаться одно условие — фрезы должны быть острозаточены.

При заточке фрез для обработки оргстекла особое внимание следует обращать на радиальное биение отдельных зубьев фрезы и биение её на оправке во время работы. Общее биение не должно превышать 0,03 мм. Конструктивно фрезы должны быть выполнены так, чтобы обеспечить свободный выход стружки, для чего, например, в дисковых фрезах через каждые 4 — 5 зубьев делают кольцевые выемки.

3.3 Фрезерование при изготовлении деталей из пластмасс

При изготовлении деталей из пластмасс фрезерование является одним из наиболее распространённых видов механической обработки. В связи с тем, что значительная часть этих материалов выпускается в виде листов, плит и блоков, при их обработке широко применяются такие фрезерные операции, как разрезание, выборка пазов различной формы, обработка плоскостей, снятие «уса», фрезерование скосов, кромок, необходимых для последующей стыковки между собой отдельных деталей, листов материала, а также при монтаже различных узловых соединений.

Операция фрезерования применяется также для дополнительной обработки сложных контуров деталей из прессованных или литьевых пластиков после их формования.

Фрезерование пластмассовых деталей рекомендуется производить на быстроходных фрезерных металлообрабатывающих станках.

Оборудование по обработке пластмасс должно иметь вентиляционные установки для удаления стружки, пыли и газов, образующихся в процессе фрезерования.

При фрезеровании пластмасс следует применять смазочно-охлаждающие жидкости, причём желательно с полным погружением в неё фрезы. При невозможности употребления жидкостей охлаждение следует вести сжатым воздухом или туманом. Чтобы уменьшить до минимума образование тепла при фрезеровании рекомендуется, возможно, большая подача.

Для обеспечения высокого качества обработанной поверхности большое значение имеет правильный выбор направления подачи. Обработку фрезерованием листового материала, а также материалов, имеющих слоистое строение следует вести на попутной подаче. При таком методе фреза прижимает изделие к столу станка, вследствие чего процесс обработки происходит в более благоприятных условиях. При фрезеровании слоистых материалов очень важно принимать во внимание направление слоёв.

В процессе фрезерования обрабатываемая деталь должна быть плотно прижата к опорной базе и жестко закреплена на столе станка или в приспособлении. За счёт этого исключается возможность упругого деформирования детали, легче достигается заданная точность обработки.

Производительность, качество механической обработки пластмасс фрезерованием во многом зависит от совершенства конструкции режущего инструмента.

Практика эксплуатации твердосплавных фрез подтверждают целесообразность применения фрез с малым числом зубьев и разборным креплением их в корпусе.

При серийном и массовом изготовлении деталей из пластмасс операция фрезерования выполняется на высокоскоростном специальном оборудовании, вследствие чего использование фрез с малым числом зубьев становится нецелесообразным.

Для обработки различных плоскостей на деталях из пластмасс при использовании специального оборудования применяют различные конструкции многозубых фрез.

При обработке слоистых материалов лучшие результаты по стойкости инструмента и качеству обработки обеспечивают фрезы с винтовым расположением пластинок твёрдого сплава.

Для обработки плоскостей на деталях из слоистых пластиков могут с успехом использоваться стандартные цилиндрические фрезы, оснащённые винтовыми пластинками твёрдого сплава. Эти фрезы необходимо перетачивать в соответствии с требованиями, определяемыми особенностями обрабатываемого материала. Очень часто в условиях производства и обработки крупногабаритных деталей длина стандартных фрез оказывается недостаточной. В этих случая целесообразно применять фрезы с винтовыми пластинками твёрдого сплава, собранные из отдельных блоков.

Переточенные стандартные фрезы можно использовать, конечно, далеко не всегда. Очень часто требуемая производственными условиями длина инструмента намного превосходит предусмотренную стандартом. В этих случаях приходится изготовлять специальные фрезы с напайкой по одному зубу нескольких винтовых твердосплавных пластинок, что является весьма сложной технологической операцией.