Рекомендации по работе с пластиками

Особенные механические свойства пластиков

Пластики, как правило, делятся на 3 основные группы: эластомеры, термопластики и дюропластики. Эластомеры в основном используются в областях, связанных с гидравликой и пневматикой. Производство этих составляющих в редких случаях требует последующей механической обработки. По этой причине ниже мы представляем Вашему вниманию особые свойства термо- и дюропластиков. Свойства термопластиков Термопластики являются однокомпонентными материалами и состоят из слегка разветвленных или неразветвленных цепочек молекул углерода. Они нетоксичны и в определенном температурном диапазоне, как и металлы, способны менять свое агрегатное состояние с жидкого на вязкое и твердое так часто, как это требуется. Это означает, что такие механические свойства, как твердость, прочность и вязкость напрямую зависят от температуры. Термопластики необратимо разрушаются только при условии превышения максимальной температуры. Благодаря этому свойству, термопластики особенно подходят для изготовления мастермоделей (например, при помощи литья под давлением), а также формовки и прессования (например, при помощи глубокой вытяжки). В зависимости от наполнителя или волокна, неизменяемые свойства термопластиков часто используются для первичного изготовления полупродуктов, как например, импрегнированного оптического кабеля или картона, армированного коротким волокном, которые впоследствии будут вторично переработаны в готовое изделие. Термопластики подразделяются на аморфные и полукристаллические. Аморфные термопластики характеризуются подчиненными неразветвленными молекулярными цепями и являются прозрачными, когда неокрашены и недеформированы. Типичными аморфными термопластиками являются полиметилметакрилаты (PMMA) и поликарбонаты (PC). Полукристаллические термопластики, однако, имеют ветвистую молекулярную структуру и не являются прозрачными (например, полиамиды (PA) и полиацетали (POM)). В своей области применения, оба вида термопластиков подобны цветным металлам.

Свойства дюропластиков (или реактопластов) Дюропластики являются многокомпонентными материалами и состоят из двух компонентов: смолы и отвердителя. Эти компоненты образуют необратимое химическое соединение. Этот экзотермический процесс отверждения обычно происходит в определенном температурном диапазоне, и соответственно, может активизироваться лишь при определенной пороговой температуре. После завершения необратимого процесса отверждения дюропластики демонстрируют практически неизменяемые механические свойства вплоть до максимальной температуры. После отверждения реактопласты становятся некристаллическими, твердыми и хрупкими. Это означает то, что они имеют низкий показатель вязкости. Типичными дюропластиками являются EP и VP1). Во время обработки дюропластики имеют очень низкую вязкость. По причине того, что они редко производятся без наполнителя, формирование производится при помощи технологии импрегнации (пропитки) или впрыскивания. Во время производства дюропластиковых заготовок, где активация процесса отверждения напрямую зависит от температуры, так называемые „реактопласты“ хранятся для следующих операций в уже смешанном состоянии. Однако, по сравнению с термопластиками, их агрегатное состояние химически нестабильно; это означает то, что они становятся непригодными для использования после превышения максимального срока их хранения. Особенности обработки дюропластиков

◼ Практически стабильные механические свойства вплоть до достижения макимальной температуры.

◼ После производства имеют необратимое состояние.

◼ Достаточно твердые и хрупкие, обычно не образуют стружки, но образуют пыль. Особые отличия от металлов во время обработки В то время как металлам требуется тепловая обработка под самой режущей кромкой для образования стружки, пластикам это совершенно не требуется: Термопластики обрабатываются при комнатной температуре, дополнительная подача тепла приводит лишь к негативным последствиям, т.к. при высоких температурах уменьшается вязкость (стружка становится мягче и длиннее и может прилипнуть к инструменту или растаять). Дюропластики, в свою очередь, демонстрируют практически стабильные свойства во время всего диапазона температур. Что касается дюропластиков, температура на режущей кромке никак не сказывается на формировании стружки. Поскольку термопластики, как и дюропластики, необратимо разрушаются при превышении максимальной температуры, выделение тепла в процессе обработки должно быть сведено к минимуму. Чем выше эластичность материала, тем сильнее зависимость его механических свойств от температуры обработки. Минимальное нагревание поверхности заготовки может привести к нежелательным последствиям (например, к тянучести, отслаиванию, затемнению).

Рекомендации по обработке пластиков.

Следующие рекомендации, в первую очередь, относятся к обработке ненаполненных пластиков. Как указано выше, два фактора играют определяющую роль в обработке пластиков:

◼ Их вязкость, которая определятся параметром текучести,

◼ диапазон рабочих температур, при которых пластик демонстрирует свои наилучшие параметры прочности. Нижеследующая диаграмма демонстрирует зависимость параметра текучести наиболее часто встречающихся термопластиков и дюропластиков от параметра рабочих температур (параметра постоянной максимальной температуры для отдельной группы материала). Для сравнения также даны средние показатели алюминия. По этим двум параметрам все пластики подразделяются на две группы, которые имеют схожие механические свойства:

◼ Стандартные пластики (SP) и

◼ Высококачественные пластики (HP). Критерии для выбора инструмента Высококачественные пластики (HP)

◼ Чем меньше параметр текучести, тем меньше передний угол режущего инструмента и тем больше угол заострения. Поликристаллический алмаз (PCD) является оптимальным режущим материалом.

◼ При большем параметре текучести (например, мягкий полиэфирэфиркетон (PEEK)) увеличивается передний угол, что требует выбора инструмента с меньшим углом заострения. Оптимальным режущим материалом является твердый сплав с покрытием. Стандартные пластики (SP)

◼ Для обработки SP требуется инструмент с большим передним углом, чем для обработки HP. Зависимость же остается прежней: чем меньше текучесть, тем меньше передний угол.

◼ Чем больше текучесть, тем больше должен быть задний угол режущего инструмента. Для обработки прозрачных пластиков рекомендуется использовать шлифованный инструмент.

◼ Оптимальным режущим материалом для SP без наполнителей и добавок является твердый сплав без покрытия. Однако, при необходимости чистовой обработки, необходимо использовать инструмент с полированной PCD или MCD режущей кромкой. Подача на зуб является решающим фактором Чем больше материала снимается за один проход, тем меньше выделение тепла. Таким образом, подача на зуб является определяющим фактором для уменьшения теплового воздействия на материал. Основные условия для обработки пластиков

◼ Избегайте выделения тепла при помощи – выбора инструмента с подходящей геометрией и – максимизации подачи на зуб.

◼ Отводите выделенное тепло с заготовки при помощи – встречного фрезерования, – эффективного устранения пыли на шпинделе и – охлаждения воздухом (использования разных смазочноохлаждающих жидкостей только при условии их совместимости с соответствующим материалом).

Особенные свойства смол и пластиков, армированных волокном.

В современных и легких конструкциях все чаще и чаще используются пластиковые композиты, армированные волокном (в дальнейшем именуемые FRP). Мы не станем проводить подробный обзор композитов, а лишь затронем их наиболее важные свойства, касающиеся механической обработки. Волокна Как правило, для химического соединения может использоваться любой вид волокон. Выбор волокна для каждого отдельного случая зависит не только от его физических (как например, предел прочности на разрыв) и химических (как например, сопротивление ультрафиолетовому излучению) свойств, но главным образом, от экономической целесообразности его использования. Помимо прямых затрат на производство, важным фактором является экологическая безопасность, в частности, возможность последующей переработки. Композиты, армированные стекловолокном (GFRP) являются самой большой группой волоконных композитов в мире. Они являются оптимальным решением различного использования с точки зрения соотношения „цена-качество“. Сверхлегкая конструкция и их исключительные механические свойства могут быть получены только с помощью композитов углеродного волокна (CFRP). Органические и минеральные волокна приобретают все большее значение, но все же занимают мизерную долю рынка, поэтому мы не уделяем им особого внимания.

◼ Стекловолокно является хрупким материалом и имеет высокую растяжимость.

◼ Углеродное волокно также является хрупким, однако, имеет более высокий предел прочности. ◼ Арамидные и Kevlar волокна сходны с углеродными волокнами, но значительно более пластичны. Волокна могут быть добавлены в композит разными способами. В зависимости от цели использования (пропитки или обработки) они делятся на:

◼ короткие волокна,

◼ длинные или сверхдлинные волокна и

◼ ткани. Связка Связка представляет собой „связующее вещество“, которое соединяет волокна между собой. Как правило, композиты, армированные волокном, изготавливаются с добавлением термопластиков или дюропластиков. Механические свойства связующих материалов детально изложены в предыдущих разделах. Для лучшего понимания процесса обработки необходимо знать 2 особенности связки:

◼ Материал связки сам по себе является изотропным или квазиизотропным; это означает, что она имеет одинаковые механические свойства по всем направлениям.

◼ Нет никакой химической реакции между связкой и волокном. Волокно лишь обволакивает связку.

Композит, армированный волокном.

В процессе механической обработки выделяют 3 группы материалов:

◼ Композиты, армированные коротким волокном, как правило, квазиизотропны и, главным образом, изготавливаются с участием термопластиковой связки. Они также могут быть изготовлены в виде полуфабрикатов или гранул, чтобы затем быть переработанными (например, при помощи глубокой вытяжки или экструзии).

◼ Композиты, армированные тканью, анизотропны и представлены довольно широко. Доски для серфинга и корпуса автомобилей Formula 1, которые изготавливают при помощи наслаивания вручную, совершенно отличаются друг от друга с точки зрения удельной прочности.

◼ Композиты, армированные длинным или сверхдлинным волокном, также анизотропны, однако, благодаря послойному наложению однонаправленных волокон, могут иметь более равномерное распределение и существенно большую долю волокон и, как следствие, значительно большую эластичность по сравнению с композитами, армированными тканным волокном. Как правило, они используются для изготовления высоконапряженных компонентов, как например, авиационных фюзеляжей или камер высокого давления. Плотность и предел прочности на разрыв являются определяющими свойствами конструктивных материалов; решающим значением для их использования, является, однако, их соотношение: удельная проч

Рекомендации по обработке пластиков, армированных волокном.

Как упомянуто в предыдущем разделе, существует безграничное разнообразие пластиков, армированных волокном (FRP). Поэтому следующие рекомендации не являются комплексными, а ограничены основными особенностями производства наиболее часто встречающихся FRP. Критерии для получения наилучшего качества обработки ◼ Избегайте механических повреждений заготовки (так называемого расслоения), ◼ изготавливайте заготовки с гладкой поверхностью, а также с режущими краями без заусенцев, ◼ соблюдайте необходимый производственный допуск. Критерии производительности ◼ Сокращение времени обработки, ◼ оптимизация надежности технологического процесса и ◼ максимизация срока службы инструмента. Критерии для подбора инструмента ◼ Материал связки (термопластик, дюропластик, высококачественный пластик или стандартный пластик), ◼ материал волокна (стекло, углерод, Kevlar, др.…), ◼ процентное содержание волокна, ◼ расположение волокон (ненаправленные короткие волокна, однонаправленные тканевые волокна, ткани…). Поведение волокон во время обработки Как правило, следующее правило относится к волокну из стекла, углерода и Kevlar: Волокно срезается, не рвется. Эта разница является следствием различной эластичности материалов. Например, волокно Kevlar высокопрочное, поэтому требует специальных инструментальных решений для фрезерования и сверления по причине высокой пластичности. Для достижения наилучшего срезания волокна, Вы должны убедиться в том, что:

◼ волокно прочно удерживается в связке,

◼ используется инструмент с острой режущей кромкой для создания достаточно высокого давления на очень маленькой площади среза. Расслоение Расслоение подразумевает собой локальное отслоение отдельных волоконных слоев материала и, соответственно, локальную потерю однородности. Во время сверления расслоения чаще всего появляются на верхнем и нижнем слое заготовки (так называемые peel-up и push-out). Более серьезными являются расслоения во внутреннем слое материала, т.к. их сложнее обнаружить и они могут привести к серьезным последствиям, особенно в случае длительного использования дефектного материала. Основными причинами расслоения являются

◼ локальный перегрев и последующая потеря механических свойств связки (пережог смолы),

◼ слишком сильное осевое давление/усилие растяжения (push-out) или трение (peel-up) и

◼ высокочастотные вибрации в диапазоне собственных частот.

Выкрашивание краев и вырывание волокон Выкрашивание краев и вырывание волокон являются разновидностями расслоения. Как правило, они не приводят к потере прочности обрабатываемой детали. Последствиями чрезмерной длина волокон и поверхностных трещин являются нежелательный внешний вид и проблемы со сборкой. Поверхностные трещины, как правило, появляются на хрупком связующем материале, особенно на дюропластиках (как например, на эпоксидных смолах (EP)). Чрезмерно длинные волокна являются следствием их недостаточно плотной связки и не могут быть срезаны инструментом. Частыми причинами их возникновения являются:

◼ режущая кромка - тупая или с большой защитной фаской (неполное срезывающее действие),

◼ слишком сильное осевое усилие, растяжение или давление, оказываемое винтовой канавкой инструмента,

◼ вибрации (инструмент „откалывает“ куски хрупкой связки). Технология сжатия Не существует стандартов оптимального инструмента ввиду очень широких требований отрасли и специфики процесса. Однако, к примеру, типичные для FRP-инструмента технологии сжатия материала при обработке дерева более эффективны, чем пришедшие из металлообработки. Компрессионная фреза имеет винтовую стружечную канавку, направленную против хода вращения, и тем самым оказывает „давление“ на верхний и нижний край заготовки. Таким образом, оптимальный „срезывающий эффект“ достигается только при условии качественной обработки режущих краев заготовки. Кроме того, осевое давление практически полностью отсутствует, что приводит к уменьшению вероятности возникновения расслоений и минимизирует вибрацию. Компрессионный инструмент, однако, лимитирован отводом стружки. Практическое исполнение прорезания паза и обработки мягких материалов с использованием этого инструмента (см. стр. 32,35) возможно с ограничениями. Общие положения по выбору оптимального режущего материала

◼ Обработки материалов, армированных углеродным волокном, всегда подразумевает использование инструмента, стойкого к абразивному износу. Оптимальным режущим инструментом является поликристаллический алмаз (PCD) или твердый сплав с алмазным или углеродным покрытием.

◼ Инструмент для обработки материалов, армированных стекловолокном, также должен иметь защиту от абразивного износа: наилучшее соотношение ценакачество достигается при помощи использования инструмента с классическим тонкослойным PVDпокрытием (например, AlTiN).

◼ Только термопластики, армированные коротким волокном и его низкой объемной долей (< 20 %) могут намеренно производиться из непокрытого материала.

Основные условия для обработки пластиков, армированных волокном

◼ Избегайте выделения тепла при помощи: – выбора инструмента с подходящей геометрией и – максимизации подачи на зуб.

◼ Удаления пыли и охлаждения: – эффективное удаление пыли от шпинделя и – охлаждение воздухом (используйте разные смазочноохлаждающих жидкости при условии их совместимости с соответствующим материалом).

◼ Обработка за один проход: – Нет необходимости использовать специально подобранный инструмент одновременно для черновой и финишной обработок, т.к. это может привести к обратным результатам.

◼ Максимизация подачи на зуб и глубина резания: – Определяющим критерием является удаление материала за один проход. – Остальные параметры обработки можно оптимизировать исходя из технических возможностей станка.

Якорь ◼ Встречное фрезерование: – Отводит тепло от заготовки, – уменьшает вероятность механического повреждения (отсутствует давление на заготовку), – улучшает качество чистовой обработки поверхности (связка фиксирует волокна) и тем самым повышает точность обработки (не „течет“). Отличия попутного фрезерования от встречного. При встречном фрезеровании режущая кромка инструмента направлена непосредственно на сильно закрепленное волокно, что позволяет отвести выделяемое тепло и удалить стружку с заготовки. Таким образом, режущая кромка охлаждается до того, как она снова соприкасается с заготовкой, давление режущей кромки направлено параллельно ходу обработки.