ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ОБОРУДОВАНИИ

Обработка резанием является необходимой, широко распространенной и одной из ответственных операций в технологическом процессе производства полимерных материалов. Экспериментально установлено, что во многих случаях детали повышенной точности с высоким качеством поверхностного слоя могут быть получены только механической обработкой: точением, сверлением, зубофре- зерованием, резьбонарезанием, протягиванием, отделочными методами и т.д., которые большей частью зависят от используемого оборудования и инструмента. В современном машиностроении при изготовлении деталей из полимерных материалов происходит изменение их размеров и формы. Полимерные материалы обладают комплексом свойств и особенностей, отличающихся от традиционных конструкционных материалов (металлических сплавов). Это приводит к необходимости разработки новых оригинальных способов механической обработки резанием заготовок, сущность которых заключается в направленном изменении состояния обрабатываемого материала с целью обеспечения благоприятных условий для получения обработанной поверхности высокой точности и качества.

Основными особенностями кострукционных полимерных материалов, определяющими специфику их механической лезвийной обработки, являются: низкая температура плавления, вызывающая подплавление при повышенном трении инструмента; упругость материала, вызывающая изменение размеров отверстий при обработке (сверление, зенкерование и др.); незначительные силы резания. Из- за плохой теплопроводности и относительно низкой температуры плавления термопластов необходимо обеспечить максимальный теплоотвод при механической обработке, чтобы избежать повышения температуры обрабатываемой детали. Это позволяет свести к минимуму тепловую перегрузку полимерных материалов (изменение цвета и даже подплавление поверхности). Возникающие силы резания при механической обработке конструкционных материалов значительно меньше, чем при обработке металлов, поэтому необходимо уменьшать зажимные усилия.

В силу того что детали из пластмасс являются не такими жесткими, как металлические, их следует фиксировать соответствующим образом во избежание прогибов. Для обеспечения качества механической обработки деталей, получаемых из прутков, отливок методом экструзии и прессования, их обработку можно производить на универсальных металлорежущих станках, автоматах и полуавтоматах, на специализированных токарных станках и станках с ЧПУ.

В качестве инструментального материала при изготовлении режущих пластин для резцов чаще всего используются быстрорежущие стали, металлокерамические твердые сплавы, природные и синтетические алмазы. В случае прерывистого резания для точения термопластичных материалов, не обладающих высокими абразивными свойствами, используются резцы с инструментальными пластинами из быстрорежущей стали, доведенные при их заточке боразоновыми кругами. Они обеспечивают шероховатость обработанной поверхности пластмасс Ra = 0,8 мкм при удовлетворительной стойкости инструмента.

Для обработки пластмасс, обладающих повышенными абразивными свойствами (например, полистирол с наполнителем из двуокиси титана), применяют резцы, оснащенные режущими пластинами из твердых сплавов группы В К. Иногда при обработке термореактивных пластмасс, имеющих значительные механические характеристики, используют резцы, оснащенные твердыми сплавами групп ТК и ТТК.

Исследованиями установлено, что при обработке вышеуказанных материалов износостойкость резцов с режущими пластинами группы В К в шесть раз выше резцов с пластинами группы ТК, так как теплопроводность первых в 1,6...2,6 раза выше. Особо следует отметить, что точение резцами с режущими вставками из синтетических алмазов обеспечивает максимальную производительность и наименьшую шероховатость поверхности при высокой стойкости инструмента, так как алмаз из всех инструментальных материалов имеет самую высокую твердость, низкий коэффициент трения и позволяет затачивать режущие кромки с минимальным радиусом округления. Вместе с тем алмазы обладают низким сопротивлением изгибу, и поэтому применение инструментов с режущими вставками из синтетических алмазов при прерывистом резании нецелесообразно.

Токарные резцы по форме и назначению аналогичны резцам, применяемым для обработки металлов. При выборе их геометрических параметров имеются определенные трудности, так как свойства пластмасс в различных направлениях нестабильны и могут отличаться даже в пределах одной детали в зависимости от того, каким образом проводится резание — вдоль слоев наполнителя или перпендикулярно им.

Наибольшее влияние на стойкость резцов оказывает величина заднего угла. Она должна быть максимальной, так как с увеличением ос уменьшается воздействие упруго восстановленного материала после прохождения режущего инструмента. Однако чрезмерное увеличение ос недопустимо из-за снижения теплоотводящей способности режущего клина инструмента. Поэтому наиболее эффективным является задний угол ос в диапазоне 15...20°.

Передняя поверхность резцов, как правило, должна быть полированной и не иметь фасок и выкружек, способствующих завиванию стружки. Величина переднего утла выбирается равной 10...20° и 0...50 при точении слоистых пластмасс соответственно вдоль слоев наполнителя или перпендикулярно им. При обработке термопластичных полимеров, имеющих однородную структуру без наполнителя, например органического стекла, винипласта, оптимальное значение у = 10...20°, а при точении термореактивных материалов у = 0... 10°. Применение резцов с у > 20° и у < —5° не рекомендуется, так как при работе инструментов со значениями вышеуказанных передних углов образуется стружка надлома и резко возрастает шероховатость обработанной поверхности. Величина главного угла в плане (р = 30...60° обеспечивает получение достаточно малой величины шероховатости. Значения (р < 30° не рекомендуются, так как при этом возрастают радиальные силы Ру, что может привести к искажению формы детали и появлению вибраций. Увеличение угла ср с 10 до 25° приводит к возрастанию высоты неровностей на обработанной поверхности в 1,2... 1,7 раза.

Вспомогательный угол в плане qjj обычно выбирается в пределах 12... 15°. Чтобы сохранить массивность головной части резца, обеспечив тем самым улучшенный теплоотвод из зоны резания, и достичь малой величины шероховатости обработанной поверхности, необходимо на резце предусматривать зачистное лезвие с ср0 = 0° на фаске /= 1...2 мм.

Режимы резания при точении полимерных материалов необходимо назначать, исходя из максимальной производительности, обеспечивающей высокую стойкость резцов и требуемое качество обработанной поверхности. Ранее указывалось [7], что на износ и стойкость резцов главное влияние оказывает скорость резания, а затем подача и глубина. Поэтому при выборе режима резания сначала выбирают глубину резания, затем подачу и скорость резания, исходя из методики назначения режима резания при точении металлических деталей. Так, при назначении глубины резания учитывают величину припуска, жесткость детали, вид точения и т.д. Для выбора величины подачи при чистовом точении в первую очередь принимают во внимание возможность получения заданной шероховатости обработанной поверхности, а при черновой обработке можно назначать максимальную подачу. Скорость резания Vвыбирается по таблицам или рассчитывается по эмпирическим формулам, а затем определяется частота вращения детали п по зависимости

где п — частота вращения шпинделя с заготовкой; V — скорость резания; D — диаметр обрабатываемой заготовки.

После этого п корректируют по станку и находят фактическую скорость резания Уф. При обработке деталей из полимерных материалов на станках с ЧПУ коррекция частоты вращения не производится.

Технологические режимы резания в зависимости от условий обработки и видов полимерных материалов назначаются следующим образом: при черновом точении: глубина резания t = 3,0...5,0 мм; подача S= 0,1...0,5 мм/об; скорость резания V = 80... 160 м/мин (Ra = = 6,3... 12,5 мкм); при получистовом и чистовом точении: t = 0,5... 1,0 мм; S = 0,05...0,2 мм/об; V— 170...300 м/мин (Ra = 0,8...3,2 мкм).

Определенную сложность представляет получение точностных характеристик деталей из полимерных материалов. На точность деталей влияют погрешности, появляющиеся в результате механической обработки и воздействия внутренних остаточных напряжений, температурные погрешности, а также погрешности, возникающие под действием окружающей среды. Погрешности механической обработки при точении возникают из-за износа инструмента, упругих деформаций технологической системы и неточности оборудования. Погрешности, вызываемые остаточными внутренними напряжениями, выявляются не сразу после обработки детали, а спустя несколько суток. Чтобы уменьшить их влияние на качество готовой детали, необходимо проводить после выполнения черновых операций термическую обработку.

Для различных материалов термическая обработка осуществляется по-разному. Например, текстолитовые детали после черновой обработки выдерживают в сушильном шкафу в течение 48 ч при постоянной температуре 323К, а затем вместе со шкафом охлаждают до комнатной температуры. Детали из термопластичного фторопласта и капрона проходят термическую обработку со снятием внутренних напряжений за счет погружения их в кипящую воду или масло. Этот процесс сопровождается изменением размеров детали, которые необходимо учитывать при назначении припуска на окончательную обработку.

Ранее указывалось, что коэффициент линейного расширения полимерных материалов в несколько раз выше, чем металлов. Поэтому, чтобы исключить влияние погрешностей в результате температурных деформаций, размеры деталей необходимо контролировать после их охлаждения до температуры окружающей среды. В качестве средств измерения целесообразно использовать высокоточные измерительные приборы (например, микроскоп УИМ-9 и др.), которые уменьшают погрешности измерения.

При определении размеров деталей, имеющих допуск, соизмеримый с точностью измерительного инструмента, бракованные детали могут пропускаться как годные. Точность размеров деталей из пластмасс может нарушаться и в процессе их хранения вследствие поглощения ими влаги окружающей среды. Так, например, хранение деталей из фенопластов при повышенной влажности вызывает изменение линейных размеров на 0,2%.

Допуски при обработке для деталей из термопластов значительно больше, чем допуски при обработке металлических деталей. Причинами этого являются: значительно более высокий коэффициент теплового расширения пластмасс; объемное расширение в силу влаго- поглощения (в основном для полиамидов) и возможность деформации из-за возникновения остаточных внутренних напряжений во время и после обработки. Последнее явление в основном проявляется для деталей, где обработка происходит асимметрично или в случае больших изменений поперечного сечения обрабатываемой детали. В таких случаях термообработка является необходимой (для снижения остаточных напряжений) после предварительной обработки и перед конечной стадией изготовления детали.

Основное правило, которое действует для деталей, подвергаемых токарной или фрезерной обработке, — это соблюдение допуска 0,1 ...0,2% от номинального размера, которое может быть применено без особых специальных предосторожностей (минимальный допуск для малых размеров составляет 0,05 мм).

Достаточно часто детали, изготовляемые из полимерных материалов, подвергают сверлению. Оно может осуществляться либо на металлорежущих сверлильных станках, либо на специальных полуавтоматах и станках с ЧПУ. Выполнение операции сверления имеет ряд особенностей, которые обусловлены свойствами полимерных материалов:

  • 1) если к равным объемам полимерных материалов и металла подвести одинаковое количество тепла, то температура полимерных материалов будет выше. В то же время теплопроводность полимеров значительно ниже теплопроводности металла. Это приводит к тому, что в зоне обработки пластмасс возникают высокие температуры и выделяемое при резании тепло (от 99,2 до 99,8%) переходит в инструмент;
  • 2) смолистая составляющая пластмасс под действием теплоты резания размягчается, переходит в полужидкое состояние, обволакивает рабочие поверхности зубьев инструмента, что приводит к появлению прижогов и дефектов на обработанной поверхности детали. Применять при этом охлаждающую жидкость чаще всего нельзя, так как полимерные материалы поглощают влагу;
  • 3) многие полимерные материалы имеют составляющие, обладающие сильными абразивными свойствами, под действием чего износ инструмента протекает преимущественно по задним его поверхностям у уголков;
  • 4) из-за высокого коэффициента теплового расширения и упругого последействия диаметр отверстия детали получается меньше, чем диаметр инструмента, например сверла, зенкера, т.е. происходит его усадка, величина которой доходит до 0,05...0,1 мм. При обработке стальных материалов наблюдается явление разбивания отверстий. Усадка увеличивает трение между сверлом и обрабатываемой поверхностью, что ухудшает внешний вид отверстия и повышает силу резания и крутящий момент. Для получения отверстий в деталях из полимерных материалов рекомендуется применять такие инструменты, как сверла, инструментальный материал, конструкция и некоторые геометрические параметры режущей части которых приведены в табл. 8.1.

Анализ конструкции и геометрических параметров сверл (см. табл. 8.1) показывает, что некоторые из них отличаются от сверл, применяемых при обработке металлических деталей, формой заточки режущей части и геометрическими параметрами (см. табл. 8.1, № 1...3, 5), а такие сверла, как № 4, 6...9, являются специальными. Ту или иную конструкцию сверла, его материал, форму заточки режущей части выбирают с учетом структуры и свойств обрабатываемого материала, диаметра и глубины просверливаемого отверстия, требований к качеству обрабатываемой поверхности. Например,

Конструкции и геометрические параметры сверл для обработки деталей из полимерных материалов

п/п

Режущая часть сверла

Материал режущей части сверла

Вид обрабатываемых пластмасс

1

Р12, Р18, Р6М5

Порошковые с наполнителем из древесной муки и целлюлозы

2

ВК6, ВК5М, ВК8(А40)

Порошковые с наполнителем из стекла, кварца, слюды, стеклопластика

3

Р12, Р18, Р6М5

Органическое стекло, текстолит

4

Р12, Р6М5

Слоистые полимерные материалы

5

Р12, Р18, Р6М5

Текстолит, асбоцемент, карболит, стеклотекстолит

п/п

Режущая часть сверла

Материал режущей части сверла

Вид обрабатываемых пластмасс

6

Р12, Р18, Р6М5

Стеклопластики

7

У10А, У12А

Пенопласт

8

Алмаз, АСП, АСВ

Стеклотексто-

литы

9

Р12, Р18, Р6М5, В Кб (К20)

Текстолит, гети- накс, стекл отек- стол иты

чтобы исключить появление сколов и вспучиваний материала на выходе и входе сверла при сверлении слоистых полимеров, следует применять сверла с подрезающими кромками (см. табл. 8.1, № 4) или сверла с углами 2ср = 30...40° (см. табл. 8.1, № 1).

Обработка отверстий в деталях толщиной до 15 мм из материалов типа пенопласта и его аналогов производится путем прошивания специальной тонкостенной коронкой (см. табл. 8.1, № 7). Для сверления отверстий диаметром более 30 мм и толщиной не более 10 мм используют циркулярные вырезные резцы с направляющей (см. табл. 8.1, № 9) или алмазные трубчатые сверла-коронки (см. табл. 8.1, № 8).

По стойкости лучшими являются сверла, оснащенные пластинами из твердых сплавов группы В К, либо сверла из быстрорежущей стали с двойной заточкой (см. табл. 8.1, № 5). Первые особенно эффективны при обработке пластмасс с высокими абразивными свойствами. Режимы чистовой обработки: стеклопластиков: S = 0,1...0,4 мм/об, V = 35... 100 м/мин стеклотекстолитов: S = 0,05...0,1 мм/об, К= 100... 120 м/мин.

При сверлении неглубоких отверстий малого диаметра, к качеству которых не предъявляют высоких требований, применяются перовые сверла. Спиральные сверла, предназначенные для обработки пластмасс, позволяют получать отверстия с шероховатостью Ra = = 12,5...3,2 мкм и удовлетворительной точностью.

Из геометрических параметров сверл на их стойкость, силы резания, температуру и производительность процесса резания наибольшее влияние оказывает двойной главный угол в плане 2(р. При меньших его значениях (2ф = 30...60°) осевая сила и удельная нагрузка на единицу длины режущих лезвий будут минимальными. К тому же при работе такими сверлами на обработанной поверхности отсутствуют сколы и выкрашивания кромок на выходе из отверстия. К недостаткам сверл с малыми углами 2ср следует отнести их пониженные теплоотводящие свойства, большую кривизну режущих лезвий у спиральных сверл, а также увеличенное машинное время вследствие продолжительности времени врезания и выхода из отверстия.

С увеличением угла 2ф до 60...90° перечисленные недостатки для сверл с 2ф = 30...60° проявляются слабее, но при этом возрастает осевая сила, появляются сколы на кромках отверстия при выходе сверла из материала, происходит «разлохмачивание» волокнистого наполнителя. Поэтому сверла с углом 2ф > 90° для обработки полимерных материалов применяются весьма редко. С целью повышения стойкости сверл целесообразно проводить их двойную заточку с углами при вершине 2ф = 70° и 2ф = 35°. Такие сверла хорошо себя зарекомендовали при сверлении материалов с повышенными абразивными свойствами. При этом время на врезание и выход сверл сравнительно невелики вследствие небольшой длины режущих лезвий.

Величину заднего угла необходимо принимать, по возможности, большей, руководствуясь теми же соображениями, как и при назначении задних углов для резца. Передние углы = 0... 15°) можно выбирать только для сверл перовых и оснащенных твердым сплавом, так как величина передних углов для спиральных сверл зависит от угла наклона винтовых канавок и угла при вершине. Назначение режимов резания при сверлении сводится к выбору подачи и определению скорости резания по эмпирическим формулам или табличным методом по справочникам. Величина подачи назначается с учетом технологических требований, предъявляемых к качеству обработанного отверстия.

При сверлении глубоких отверстий на глубину более чем 3D количество выводов сверла принимают согласно следующим данным:

Глубина сверления 3D 4D 5D 6D 1D

Число выводов сверла 1...2 2...3 2...3 3...4 4...5

Особую сложность представляет сверление отверстий диаметром до 3 мм, выполняемое перовыми и спиральными сверлами. Спиральные сверла имеют малый объем стружечных канавок, что приводит к пакетированию стружки в канавках сверла. При работе перовых сверл стружка плохо отводится из отверстия и к тому же возникает сравнительно большая сила подачи. Поэтому при сверлении отверстий малого диаметра перовыми и спиральными сверлами возникает опасность их поломки, а также наблюдается появление сколов и отслоений материала на выходе сверла из отверстия.

Для улучшения процесса обработки отверстий малого диаметра перовыми сверлами рекомендуется толщину перовых сверл делать не более (0,3...0,35) от диаметра сверла (dCB); обеспечивать углы заточки 2(р = 30...60°; oq = 20...25°; подтачивать до минимума длину перемычки. Для спиральных сверл необходимо принимать средний угол наклона стружечной канавки со = 12°, 2<р = 60...90°, а частоту вращения шпинделя — 50... 158 с-1.

Сверление — наиболее распространенная операция при обработке композиционных материалов — представляет особую сложность из-за скалывания или даже отслаивания материала при входе и выходе сверла из отверстия. В этом случае перед производственниками ставится непростая задача — не просто получить отверстие с заданными требованиями по точности и шероховатости, но и избежать повреждения поверхности около отверстия.

Инструменты со вставками из поликристаллического алмаза (PCD) или твердосплавные сверла с алмазным напылением специально разработаны для увеличения жизненного цикла инструмента, поскольку алмаз обладает отличной стойкостью при обработке различных типов углеродных волокон и пакетной обработке разнообразных материалов, включая титан. Сверление углепластиков может производиться относительно просто, но когда к ним добавляются слои титана, то переход от композита к титану требует корректировки режимов резания, для того чтобы титановая стружка формировалась и транспортировалась, не повреждая поверхность композита. Режущий инструмент должен быть способен обработать оба типа этих очень разных материалов. Сверление обычно осуществляют со скоростями резания 100...200 м/мин при низких подачах, в основном 0,02...0,06 мм/об. Диаметр сверла при обработке композитов, как правило, 3...12,7 мм. Стандартные и специальные резцы и сверла, имеющие режущую часть из твердого сплава с алмазным напылением, а также со вставками из поликристаллического алмаза достаточно хорошо подходят для получения качественных отверстий в деталях из полимерных материалов и композитов.

При нарезании резьбы на деталях из полимерных материалов существуют два способа получения внутренних и наружных резьб: без снятия стружки (прессованием) и путем снятия стружки. Получение резьб без снятия стружки весьма эффективно в массовом и крупносерийном производстве при изготовлении малонагруженных неответственных резьбовых соединений.

Рассмотрим резьбонарезание полимерных деталей, осуществляемое на токарных, резьбофрезерных, сверлильных и других автоматизированных металлорежущих станках, а также на станках с ЧПУ. В качестве режущих инструментов применяют резцы, плашки, резьбовые гребенки, шлифовальные круги для наружных резьб, резцы и метчики для внутренних резьб.

К метчикам, предназначенным для нарезания резьбы, предъявляются особые требования. Они должны иметь:

  • 1) увеличенные по объему и полированные стружечные канавки для лучшего размещения и удаления стружки;
  • 2) возможно меньшее число перьев, что позволяет увеличить объем стружечных канавок и уменьшить трение перьев метчика об обработанную поверхность;
  • 3) шлифованный профиль резьбы для уменьшения трения;
  • 4) увеличенные наружный и средний диаметры (на 0,05...0,13 мм) для компенсации упругого последействия обработанной поверхности. Количество канавок метчика выбирается в зависимости от обрабатываемого материала и угла наклона канавок. Например, при нарезании резьбы в деталях из нейлона используют метчики с двумя спиральными канавками либо с тремя-четырьмя прямыми канавками. Метчики с двумя-тремя канавками применяют для обработки деталей из ацетатной целлюлозы, с тремя-четырьмя канавками — из полистирола и с четырьмя — из органического стекла. Для нарезания резьб резьбонарезными головками и плашками из быстрорежущей стали задние углы у этих инструментов должны быть увеличены и находиться в пределах 15...20°. При использовании резьбовой двухперой гребенки из быстрорежущей стали при нарезании резьбы в деталях из полиамидов (капрона) лучшие результаты достигаются при значениях а = 8°, у= 0°. Скорость резания находится в среднем в пределах 1...30 м/мин.

Для улучшения качества нарезаемой резьбы и предотвращения срыва первых нескольких витков резьбы рекомендуется применять в начальный период резьбонарезания принудительную подачу.

В дальнейшем инструмент может работать за счет самозатягивания. Отверстие под резьбу должно быть выполнено сверлом под соответствующую резьбу с увеличенным диаметром на 0,05...0,1 мм.

Для получения резьб степеней точности 4Н5Н, 5Н6Н рекомендуется использовать метчики со степенью точности HI, Н2 (ГОСТ 16925-71) с соответствующими геометрическими параметрами. Кроме того, необходимо соблюдение и некоторых других технологических условий: применение соответствующих СОТС (смазочноохлаждающие технологические средства), режимов резания и др.

На деталях из термореактивных слоистых полимеров резьбу в большинстве случаев нарезают перпендикулярно слоям наполнителя. При этом прочность резьбы по сравнению с исходной структурой материала из-за перерезания волокон снижается. Кроме того, на прочность резьбы оказывают влияние диаметр сверла под резьбу, геометрические параметры метчиков, режимы резания, применяемые СОТС и т.д. За рубежом для нарезания резьбы в деталях из слоистых полимеров рекомендуют применять трехперые метчики с прямыми канавками, при этом у = —5°, число витков заборной части — два-три, V= 10...20 м/мин, t= 0,1...0,2 мм.

Следует заметить, что скорость резания, оказывающая большое влияние на качество, точность и прочность резьбы, должна быть невысокой. Обусловлено это тем, что в пластмассах резьба нарезается преимущественно одним метчиком. С увеличением скорости резания центрирование и врезание метчика происходят не всегда достаточно правильно, получается резьба со смещением относительно просверленного отверстия, а также срыв первых витков. Невысокие скорости резания и применение специальных центрирующих патронов и приспособлений улучшают качество нарезанной резьбы.

Для нарезания резьб в деталях из термопластичных материалов применяют резцы с пластинами из быстрорежущих сталей с у = — 5...00, а = 20°, 0СбОК = 10°. Глубина резания за один рабочий ход не должна превышать t = 0,18...0,25 мм при V= 10...20 м/мин. В деталях из термореактивных слоистых полимеров резьбу нарезают резцами, оснащенными пластинами ВК6 и ВК8 с у = 0, а = 8... 10°.

Для получения резьб высокого качества на деталях из стеклопластиков применяют шлифовальные круги на вулканитовой связке R зернистостью 50 и твердостью CM 1(A). Круг устанавливается в специальном приспособлении на токарном станке с разворотом его на угол подъема нитки резьбы. Скорость вращения круга 20...25 м/с, детали — 15...20 м/мин. Наружная резьба диаметром 200 мм с шагом Р = 0,5...6 мм может быть нарезана за два-три перехода с обеспечением шероховатости в пределах Ra = 1,6...0,63 мкм. Заметим, что перед вышлифовкой резьбы производится точение детали резцом для устранения биения и получения требуемого размера детали под резьбу Сколов и вырывов витков резьбы, полученной описанным методом, не наблюдается.

Обработка полимерных материалов фрезерованием осуществляется на быстроходных горизонтально- и вертикально-фрезерных металлорежущих станках, снабженных специальными устройствами для улавливания и отсоса стружки и пыли, а также зажимными приспособлениями.

Основные требования, предъявляемые к обработке деталей из полимерных материалов на фрезерных станках, сводятся к следующему:

  • 1) опорная поверхность детали должна полностью лежать и быть плотно прижата к столу станка или приспособления;
  • 2) во избежание разлохмачивания и расслоения материала детали необходимо, чтобы направления вращения фрезы и подачи совпадали (попутное фрезерование);
  • 3) режущий инструмент, его геометрические параметры и режимы резания должны соответствовать условиям производительной обработки. К фрезам, предназначенным для обработки полимерных материалов, также предъявляются специфические требования, а именно:
    • а) диаметр фрез может быть увеличен по сравнению с диаметром фрез для металлообработки, так как силы резания при фрезеровании пластмасс незначительные;
    • б) число зубьев должно быть минимальным, что обеспечивает большие значения Sz, значительно облегчает сход и удаление стружки. При этом имеется возможность проектировать фрезы со вставными зубьями;
    • в) величину задних углов следует увеличивать, форму передней поверхности сделать простой; необходимо также предусмотреть возможность заточки зубьев с получением необходимых передних, вспомогательных углов и углов в плане;
    • г) угол наклона главных режущих лезвий к оси фрезы должен быть в пределах со = 20...25°, что обеспечивает плавность их работы и уменьшает ударную нагрузку на режущие лезвия. Геометрические параметры фрез даже одного типа, например цилиндрических, для обработки пластмасс весьма различны. В качестве примера рассмотрим цилиндрическую быстрорежущую фрезу, предназначенную для обработки деталей из органического стекла (рис. 8.1) и имеющую
Цилиндрическая фреза для обработки деталей из органического стекла

Рис. 8.1. Цилиндрическая фреза для обработки деталей из органического стекла

Z = 16, со = 20°. Ширина фаски на задних поверхностях зубьев не должна превышать 0,03 мм. Глубина резания рекомендуется в пределах не более 2,5...3 мм. В качестве СОТС можно использовать эмульсию и водный раствор мыл, применение которых позволяет уменьшить шероховатость обработанной поверхности. Критерий затупления таких фрез определяется по технологическим признакам: появлению сколов, рисок и др.

Для фрезерования деталей из слоистых термореактивных полимеров, таких как гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, рекомендуется применять фрезы из быстрорежущих сталей (рис. 8.2) с Z= 5 и со = 55°. Цилиндрическую ленточку (фаску) на задних поверхностях зубьев фрез оставлять не допускается. Глубина резания за один рабочий ход рекомендуется в пределах 1...2 мм. Для обработки деталей из стеклопластиков рекомендуется использовать комплект фрез с винтовыми пластинками из твердых сплавов В Кб, ВК6М, ВК8.

Скорость резания V, м/мин, определяется по эмпирическим формулам. Например, при фрезеровании быстрорежущими цилиндрическими (см. рис. 8.1) фрезами деталей из гетинакса

Цилиндрическая фреза из быстрорежущей стали для обработки деталей из слоистых пластмасс

Рис. 8.2. Цилиндрическая фреза из быстрорежущей стали для обработки деталей из слоистых пластмасс

а из текстолита

где Т — период стойкости инструмента, мин; Sz — подача фрезы на зуб; t — глубина резания, мм; D — диаметр фрезы, мм.

Режимы резания изменяются в диапазоне:

Торцовые фрезы оснащаются пластинками твердых сплавов группы ВК (ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8) либо алмазными зернами. Оптимальными значениями передних и задних углов торцовых фрез следует считать а = 20...25°, у = О...Ю°; ф = 45...90°; со = 0...250, X = 0°; ф0 = 30°; ф! = 20°. Геометрические параметры зубьев алмазных фрез: у = 0°; а = 12°; ф = ф] = 45°; г = 0,3 мм. На качество поверхности, обработанной торцовыми фрезами, наиболее сильное влияние оказывают подача и степень затупления зубьев фрез. Критерий затупления фрез принимается по технологическим признакам: увеличению шероховатости, появлению прижогов и изменению цвета обработанной поверхности. Этим признакам соответствует ленточка износа по задним поверхностям зубьев И3 = 0,4...0,5 мм.

Фасонные и концевые фрезы, предназначенные для обработки деталей из гетинакса, текстолита и стеклопластиков (см. рис. 8.2), оснащают пластинами из твердого сплава ВК8 либо делают цельными из быстрорежущих сталей. В силу сложности заточки затылованных твердосплавных фрез их выполняют с острозаточенными зубьями.

Если точность профиля невысока, фрезы затачивают с положительным углом у = 5...8°, зубья делают наклонными с небольшим углом наклона к оси («8°), причем соседние зубья наклонены в разные стороны. Такие фрезы имеют повышенную стойкость и обеспечивают удовлетворительную шероховатость обработанной поверхности.

Для фрезерования пазов, уступов и на ряде других операций применяют концевые фрезы диаметром 20...50 мм. Отличительными особенностями этих фрез из легированной стали являются следующие: у = 55°, а следовательно, малый угол заострения зуба, наклонное расположение зубьев, облегчающее исход и удаление стружки, массивная сердцевина, способствующая улучшенному теплоотводу.

Детали из стеклопластиков обрабатывают концевыми четырехзубыми фрезами с винтовыми зубьями (со = 40°), оснащенными пластинками ВК8.

Стойкость концевых фрез выбирается в пределах 40...60 мин, в качестве критерия затупления берется износ зубьев по задним поверхностям h3 = 0,15...0,2 мм при чистовой обработке и h3= 0,5...0,6 мм — при черновых операциях.

Заготовки из многих видов полимерных материалов (органического стекла, винипласта, гетинакса, текстолита, стеклотекстолита) поступают в виде листов толщиной 0,5...70 мм, длиной и шириной соответственно 650x1050, 1100x1500 мм.

Листы толщиной до 3 мм разрезают на рычажных и гильотинных ножницах. Для разрезки более толстых листов используют дерево- и металлообрабатывающие станки: циркульные, круглопильные, ленточные, фрезерные и шлифовальные. Иногда разрезку пластмасс производят на специальных станках. Разрезка листов из пластмасс сопряжена с определенными трудностями. Под действием сил резания пластмасса в зоне резания и вокруг нее упруго деформируется, в связи с чем после прохождения фрезы уменьшается ширина реза, что приводит к интенсивному трению и тепловыделению, а иногда и к заклиниванию фрезы. На боковых поверхностях стандартной фрезы после 2...5 мин ее работы появляются прижоги, трещины, и фреза быстро выходит из строя.

При разрезке пластмасс особую роль играет выбор рациональной конструкции инструмента, его материала и геометрических параметров. Кроме того, нельзя применять фрезы, которыми производились разрезка и отрезка металлов, а также фрезы с большим шагом и малым числом зубьев. В контакте с материалом должно находиться минимум два зуба, что обеспечивает равномерность процесса резания, уменьшает шероховатость и вероятность проявления сколов на выходе фрезы из разрезаемой заготовки. Отрезные фрезы для обработки пластмасс изготовляют из легированной быстрорежущей стали. Сборные фрезы такого типа оснащаются твердым сплавом. В последнее время широко применяются алмазные отрезные фрезы.

За критерий затупления фрез принимают следующие технологические признаки:

  • 1) увеличение шероховатости поверхности, появление сколов и расслоений на кромках листов;
  • 2) появление прижогов, оплавления на разрезаемых поверхностях и сильное выделение газов;
  • 3) появление цветов побежалости на фрезах из инструментальных сталей.

Указанные признаки соответствуют достижению износа по задним поверхностям зубьев h3 = 0,1 ...0,25 мм, который и принимается за критерий затупления.

Период стойкости отрезных фрез зависит от свойств инструментального материала, из которого изготовлены фрезы, условий обработки и составляет Т= 20... 150 мин.

При разрезке листов направление подачи и вращения фрезы зависят от места расположения последней (рис. 8.3).

Силы резания при указанных схемах расположения фрезы дополнительно прижимают лист к столу, а сколы, разлохмачивание и расслоение кромок уменьшаются. Скорость резания выбирается, по возможности, максимальной. Величина подачи зависит от марки и толщины обрабатываемого материала, конструкции и геометрических параметров инструмента и других условий обработки. Разрезка, как указывалось ранее, может осуществляться на различных станках (циркульных, круглопильных, ленточных и др.) соответствующими инструментами: пилами, лентами, абразивными кругами и т.д. В ка-

Схемы резания при нижнем (я) и верхнем (б) расположении отрезной фрезы честве примера на рис. 8.4 показана высокопроизводительная отрезная фреза из быстрорежущей стали Р18 (Р6М5)

Рис. 8.3. Схемы резания при нижнем (я) и верхнем (б) расположении отрезной фрезы честве примера на рис. 8.4 показана высокопроизводительная отрезная фреза из быстрорежущей стали Р18 (Р6М5).

Высокопроизводительная отрезная фреза

Рис. 8.4. Высокопроизводительная отрезная фреза

Число зубьев фрезы 64, углы заточки чередуются через один зуб. Отличается эта фреза от рекомендуемых фрез меньшей толщиной и большим числом зубьев. В случае жесткого крепления заготовок и биения фрезы по торцу не более 0,1 мм допускаются скорости резания V= 1000...2000 м/мин, в то время как нормализованные фрезы работают при V= 600...700 м/мин.

Хорошие результаты достигаются при разрезании полимерных материалов алмазными кругами толщиной 1,2...2 мм, изготовленными из природных или синтетических алмазов АСП, АСВ зернистостью 25 и более. Оптимальной рабочей скоростью алмазного круга при разрезке стеклопластиков является V = 50...65 м/с.

Обработка внутренних и, особенно, наружных поверхностей сложного профиля деталей из полимерных материалов даже большой длины может быть выполнена протягиванием.

Низкая теплопроводность и невысокая теплостойкость пластмасс, интенсивное истирающее воздействие их на режущий инструмент, слоистое строение, неодинаковые механические свойства в различных направлениях и другие специфические свойства оказывают большое влияние на характер износа и стойкость протяжек, процесс стружкообразования, качество протянутой поверхности и другие характеристики процесса обработки протягиванием. В большей степени это связано со специфическими особенностями протягивания, которое обычно осуществляется с малыми толщинами среза. При этом срезаемая стружка размещается в стесненных условиях, процесс резания является прерывистым и т.д. Хотя обычно протягивание производят при низких скоростях резания (V = = 12... 15 м/мин), стойкость быстрорежущих протяжек при обработке пластмасс сравнительно невысокая и в десятки раз ниже, чем твердосплавных протяжек. К тому же для повышения стойкости быстрорежущих протяжек не всегда возможно при обработке полимеров применять СОТС.

Стойкость протяжек из различных материалов (BKIOOM, ВК6М, ВК8, Т 14К8, ТТ 10К8Б, Р18, Р6М5) во многом зависит от вида пластмассы, скорости резания, подъема на зуб протяжки и геометрических параметров. С увеличением заднего угла с 4 до 10° стойкость протяжек повышается в два раза. Наибольшую стойкость имеют протяжки с передним утлом у = 10... 12°.

Силы резания Pz при протягивании винипласта в 15...20 раз меньше, чем при обработке сталей, что связано с пониженными физико-механическими характеристиками пластмасс. Силы резания повышаются с увеличением подъема на зуб и уменьшаются с возрастанием переднего и заднего углов зубьев протяжки.

Для расчета сил могут быть применены зависимости, полученные при обработке винипласта протяжками соответственно с углами у, равными 7, 12 и 18°:

Изменение скоростей протягивания от 6 до 30 м/мин не оказывает существенного влияния на шероховатость протянутой поверхности. Это связано с тем, что нароста на зубьях протяжки обнаружено не было. Обработка острозаточенной протяжкой обеспечивает получение параметра шероховатости протянутой поверхности Ra = 0,8... 1,6 мкм. С увеличением переднего угла зубьев протяжек с 5 до 15° шероховатость поверхности уменьшается с Ra= 1,6 мкм до Дв=0,4...0,8 мкм. При проектировании протяжек, используемых при обработке полимерных материалов, необходимо учитывать следующее:

1) рабочую часть протяжки следует оснащать пластинками твердого сплава группы ВК (BKIOOM, ВК6М), а протяжку сложного профиля необходимо изготовлять из быстрорежущих сталей Р10Ф5К5, Р18 или Р6М5. В последнем случае скорость протягивания не должна превышать 5... 10 м/мин;

  • 2) подъемы на черновые зубья протяжки составляют Sz = = 0,08...0,3 мм; углы заточки у = 10... 15°; а = 10°;
  • 3) зубья протяжек необходимо доводить и хромировать, заточку зубьев производить доостра cf3 < 0,03 мм;
  • 4) шаг зубьев протяжки должен быть неравномерным (t ± 1 мм), размеры стружечных канавок рассчитываются с учетом коэффициента заполнения К= 2,7...3.

Многие литые или механически обработанные детали из полимерных материалов необходимо подвергать дополнительной отделочной операции [5...9]. Для отделочных операций применяют напильники и абразивы. Последние используются в свободном (при галтовке, отделочной обработке обдувкой, полировании) и в связанном (для шлифования кругами и ленточного шлифования) состояниях.

Опиливание производится специальными напильниками, так как применение напильников, предназначенных для обработки металла, неэффективно ввиду их быстрого засаливания стружкой пластмассы. Обработку термопластов выполняют остроносыми личными напильниками с глубокой одинарной насечкой и дугообразными зубьями с крупным шагом, подобными напильникам, предназначенным для опиливания алюминия, магния и других мягких металлов. Периодически во время работы напильники очищают от стружки проволочной или фибровой щеткой. Производительность опиливания растет с увеличением скорости опиливания и давления на напильник. Однако при обработке реактопластов напильники быстро изнашиваются.

Изделия из пластмасс могут шлифоваться на плоско- и бесцентрово-шлифовальных станках, предназначенных для металлических изделий. В качестве режущих инструментов рекомендуется использовать шлифовальные круги с открытой структурой низкой твердости. Зернистость круга должна соответствовать требуемому качеству шлифованной поверхности. Чтобы уменьшить перегрев и засаливание кругов, необходимо работать с обильным охлаждением.

Ленточное шлифование применяется для удаления следов от резцов, срезающих литники или грат, оставшиеся по линиям разъема пресс-форм. Такое шлифование ведут в два прохода: с использованием крупнозернистых (черновой переход) и мелкозернистых лент (чистовой переход). После чистового шлифования деталь может полироваться.

Абразивные мелкозернистые ленты чаще употребляются для шлифования термопластов, чем реактопластов. При ленточном шлифовании необходимо работать с обильным охлаждением и малой подачей, что уменьшает тепловыделение и предохраняет ленту от забивания стружкой. СОТС перед работой должны тщательно фильтроваться. Производительность ленточного шлифования растет с увеличением скорости резания и давления на ленту, но в такой же степени повышается ее засаливание.

Галтовка деталей из полимерных материалов применяется для притупления их кромок, удаления заусенцев, грата и ножек литников, для скругления углов, а также для полирования поверхностей. Это самый дешевый вид обработки, так как работа заключается лишь в загрузке и выгрузке деталей из вращающегося барабана, содержащего галтовочную смесь.

В качестве галтовочной смеси используют древесные опилки, минеральные масла и частицы абразива, а галтовочной средой служат деревянные кленовые чурки, войлочные обрезки и т.п. Галтовке подвергаются детали из реактопластов и термопластов. Галтовка включает три действия:

  • 1) рубку или срезание;
  • 2) шлифование и полирование;
  • 3) глянцевание.

Режимы галтовки (скорость вращения барабана, время выдержки) рекомендуется определять экспериментально, поскольку действительный механизм галтовки еще не выяснен.

Дробеструйная обработка заключается в обдувке формовочных деталей шариками из неабразивных материалов двумя способами. Один из них основан на использовании сжатого воздуха для приведения дробинок в движение. По другому способу для метания дробинок применяют центробежную силу быстро вращающегося колеса. Наилучшие результаты достигаются при скорости обдувки 50...70 м/с с использованием пластиковых шариков и дробленой ореховой скорлупы или фруктовых косточек. Чем выше скорость обдувки, тем более грубой получается поверхность и тем больше износ шариков. Легче всего удаляется грат (излишки материала, остающиеся на кромках изделий после какого-либо процесса обработки) у реактопластов.

Обдувка абразивными зернами с жидкостью также эффективна при обработке пластмасс и обеспечивает получение деталей высокого качества.

Полирование включает три операции: предварительное (декоративное шлифование), окончательное и протирку (глянцевание). Предварительное полирование производится кругом открытой конструкции, набранным из чередующихся дисков миткаля диаметром 460 и 200 мм. Ширина круга около 100... 125 мм. На периферийную часть круга наносится покрытие из пастообразной смеси пемзы и воды. Прижим детали к кругу постоянный, но сильный. Деталь должна быть все время в движении, чтобы обеспечить равномерность полирования и не допустить прижогов. Чтобы смесь пемзы и воды удерживалась на круге, он должен вращаться медленно.

Окончательное полирование вместе с протиркой осуществляется таким же методом, как и предварительное полирование. Отличие состоит лишь в том, что при окончательном полировании круг работает всухую. Полировальная паста наносится только на одну сторону поверхности круга, другая остается непокрытой. Деталь полируется частью круга с пастой, а непокрытая часть круга стирает с поверхности детали следы полировального состава. Все станки, на которых производится полирование всухую, должны снабжаться мощной вытяжной вентиляцией.

Режимы резания при обработке деталей из пластмасс на отделочных операциях изменяются в следующем диапазоне: t = 0,07...0,2 мм; S= 3...4 мм/об; V= 20...25 м/с; квалитет обработки /79... 12.

Анализируя вышеизложенное, можно отметить, что применение новых конструкций инструментов, соответствующих режимных параметров в сочетании с прогрессивной технологической оснасткой и высокопроизводительным оборудованием позволяет значительно расширить технологические возможности механической обработки резанием труднообрабатываемых полимерных и композиционных материалов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >