1.3.5.2. Обеспечение заданной точности размеров изделий из пм обработкой резанием.
Под процессом резания понимается обработка изделий из ПМ снятием стружки с целью получения заданной формы, размеров и качества. Для этого используют почти все существующие виды механической обработки, но проблема повышения размерной точности изделий чаще всего решается при точении, фрезеровании и сверлении. В частности, при изготовлении изделий из различных ПКМ эти способы резания обеспечивают следующие возможности /13/:
Точение, применяемое для обработки сопрягаемых цилиндрических и конических участков оболочек, проточки шеек под резьбу, выполнения канавок, уступов, изготовления единичных деталей из заготовок, способно обеспечить требуемую точность токарной обработки 9 - 11 квалитетов.
Фрезерование, используемое для прорезки пазов, вырезки окон, лючков, канавок инструментом типа концевых, дисковых, торцовых и специальных фрез, способно обеспечить размерную точность 11 – 13 квалитетов.
Сверление - наиболее часто применяемая операция механического изготовления отверстий различного назначения выполняется с точностью 10 – 13 квалитетов. При необходимости получения отверстий более высокой точности и качества применяют развертывание.
Квалитеты размеров пластмассовых изделий, достигаемые различными видами механической обработки, представлены в табл. 1. 19.
Таблица 1.19
Квалитеты размеров изделий из пластмасс (интервал размеров от 1 до 500 мм)
после механической обработки /5,7,8/
Точность изготовления пластмассовых изделий из реактопластов достигает 6 – 12 (включительно) квалитетов, а из термопластов – 7 – 14 (включительно) квалитетов. Рекомендации по достижению квалитетов точности в данных случаях, как это следует из данных таблицы 1.19, охватывают многие виды механической обработки обрабатываемых поверхностей (наружные плоские, наружные и внутренние цилиндрические). Одновременно можно видеть, что при механической обработке изделий из ПМ предел достигаемой размерной точности может быть на 1 – 2 квалитета выше, чем при формовании (см. табл. 1.11). Однако для практической реализации высоких квалитетов точности при обработке изделий резанием необходимо еще на стадии проектирования ТП предусмотреть противодействие некоторых специфических свойств ПМ.
Проблемы достижения заданной размерной точности
На точность механической обработки влияют природа ПМ, размер обрабатываемой поверхности, способ обработки, условия резания, жесткость системы «заготовка – приспособление – инструмент – станок» /15/. Специфическими проявлениями всех ПМ являются, прежде всего, повышенное терморасширение, низкие показатели теплопроводности и контактной прочности, высокая деформативность и вариабельность остаточных напряжений, а для ПКМ – неравномерность структуры наполнения (армирования).
Теплофизические свойства обрабатываемых ПМ оказывают большое влияние на процессы резания. Как следует из данных Приложения 3, ПМ, по сравнению с металлами и сплавами, имеют более низкую объемную теплоемкость и особенно теплопроводность, характеризуются на порядок более высокими температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). Высокие значения ТКЛР для многих ПМ приводят к значительным тепловым деформациям обрабатываемых поверхностей изделий, заведомо снижающих задаваемую размерную точность. В результате, например, при сверлении отверстия, диаметр, измеренный сразу после окончания процесса резания, получается, как правило, меньше диаметра сверла на 0,03-0,1 мм /16/.
Вследствие того, что теплопроводность ПМ в сотни раз меньше, чем у металлов, основная доля тепла отводится через режущий инструмент. Для приблизительной оценки относительного количества тепла, отводимого из зоны резания через полимерное изделие, можно воспользоваться соотношением: λпм
q = --------------- 100% ,
λпм + λин
где λин и λпм - теплопроводности материала режущего инструмента и ПМ соответственно.
Непосредственный подсчет показывает, что на долю инструмента иногда может приходиться до 80 - 90% всего отводимого тепла, что подтверждается данными табл. 1.19.
Таблица 1.19
Сравнительные показатели отвода тепла при резании ПМ и стали, % /14/
Несмотря на то, что основной тепловой поток проходит через режущий инструмент, концентрация тепла в прирезцовой зоне способствует быстрому перегреву полимерных изделий, усугубляя терморасширение и вызывая термодеструкцию с необратимыми последствиями. Поскольку температура, обусловленная режимом резания, может изменяться в достаточно широком диапазоне, то необходимо учитывать теплофизические возможности ПМ. Их чувствительность к изменению скорости резания и условиям охлаждения уменьшается в ряду: эластопласты, упруготермопласты, отвержденные реактопласты /15/.
Сложность предотвращения отмеченных отрицательных проявлений заключается еще и в том, что не всегда возможно применение обязательных в металлообработке смазочно-охлаждающих жидкостей (эмульсий, масел, воды). Их диффузия в ПМ приводит к формоизменениям изделий, вызывает расклинивающее действие и снижает кэффициент трения резца о поверхность полимерного изделия. Жидкостное охлаждение применяется в основном при обработке гидрофобных термопластов, не имеющих поверхностных остаточных напряжений. В остальных случаях рекомендуется применять режущие инструменты с автономным охлаждением, охлаждение зоны резания струей сжатого воздуха в сочетании с отсосом воздуха из той же зоны и (или) сокращение периодов резания путем частого извлечения режущего инструмента. Известно также использование приспособлений для сверления изделий из ПМ, помещенных в замороженную воду с толщиной ледяного покрытия не менее 3 – 5 мм /16/.
Эластическая составляющая общей деформации ПМ обусловливает тенденцию к «отжиму» режущего инструмента (особенно при затуплении режущих кромок) и дополнительному снижению размерной точности обрабатываемых изделий. Релаксация эластической деформации – действенная причина изменения размеров после отвода инструмента, поэтому засверленные отверстия могут продолжить сужение в течение всего релаксационного периода, и, например, через сутки диаметр отверстия может (дополнительно к действию ТКЛР) уменьшится еще на 0,01 – 0,05 мм в зависимости от типа и марки ПМ, геометрии и материала сверла, условий и режимов резания. Достижение большей точности отверстий присуще изделиям из отвержденных ПМ, обладающим незначительной остаточной эластичностью. Для уменьшения усилия резания и тем самым деформирования ПМ рекомендуется использование алмазных режущих инструментов, позволяющих получать высокую (6 – 8-го квалитетов) точность размеров /16/.
Низкая контактная прочность ПМ может обусловить, например, при сверлении, увеличения диаметра отверстия, если имеет место биение шпинделя станка. Для исключения таких последствий рекомендуется осуществлять сверление через твердосплавный металлический кондуктор. То же специфическое свойство ПМ должно учитываться и при выборе усилия зажима изделия при резании. Оно не должно создавать напряжений, превосходящих контактную прочность ПМ изделия.
Для предотвращения сколов, трещин и вмятин на кромках отверстий и на поверхности полимерных изделий рекомендуется перед механической обработкой подкладывать мягкую древесину, фанеру, пластик или другие амортизирующие материалы /16/.
Неравномерность структуры композиционных ПМ, содержащих волокна и другие твердые включения, обусловливает особенно сильное выкрашивание, задиры, распушение обрабатываемых поверхностей и кромок изделий, если обработка производится обычными режущими инструментами (рис. 1.15 внизу). Требуется использовать специальные виды режущих инструментов – сверел (а), зенкеров (б), фрез (в), чтобы повысить качество обработки (там же сверху).
Рис. 1.15. Качество механической обработки листовых армированных ПМ
обычными (внизу) и специальными инструментами (вверху).