Obróbka wiórowa tworzyw sztucznych

Obróbka wiórowa to nadawanie kształtu przedmiotom za pomocą narzędzi usuwających warstwowo naddatek materiału obrabianego. Podczas takiej obróbki powstają charakterystyczne wióry, którym zawdzięcza swą nazwę. Materiałem w stosunku do którego można stosować tę metodę są m.in tworzywa sztuczne.

Skrawalność tworzyw termoplastycznych
Termoplasty są jak wiadomo - w zależności od temperatury - ciągliwe lub kruche. Należy zatem tak dobrać prędkość cięcia oraz posuw i geometrię cięcia, aby powstające ciepło w dużej mierze odprowadzane było wraz z wiórami. Wadliwe rozgrzanie prowadzi zaś do topnienia lub przefarbowania powierzchni.

Do skrawanie tworzyw sztucznych można używać zwykłych maszyn nadających się również do obróbki drewna lub nawet metali. Sama geometria cięcia zależy od rodzaju tworzywa. Bardzo istotne jest jednak naostrzenie krawędzi. Przy tworzywach bardzo ścierających się przy pracy używa się narzędzi diamentowych.

Jeśli chodzi zaś o chłodzenie to najlepszą metodą chłodzenia jest odprowadzanie ciepła z wiórami. Przy termoplastach dobrze funkcjonuje także chłodzenie sprężonym powietrzem. Przy użyciu niektórych środków chłodzących mogą pojawiać się jednak pęknięcia na tworzywie.

Mocowanie obrabianego półwyrobu z tworzyw
Wiele problemów w obróbce tworzyw skrawaniem powstaje przez nieprawidłowe zamocowanie półproduktu. Problemy z wymiarem, pękanie płyt podczas obróbki, to skutek, który w niektórych sytuacjach może powodować zagrożenie także dla pracujących osób.

Tworzywa sztuczne są bardziej miękkie niż metale. Dlatego pod wpływem użycia zbyt dużej siły mogą się deformować. Najczęściej zdarza się to przy toczeniu, w tym głównie rur. Jeśli zamocuje się rurę ze zbyt wysokim naciskiem, to będzie miała ona skłonność do tzw. odsprężynowania po wyjęciu jej z maszyny i tym samym zmiany swojego wymiaru i geometrii.

Redukowanie ścisku nie jest dobrym rozwiązaniem, poza tym jest również ryzykowne, ponieważ może prowadzić do wypadania części podczas obróbki. Przy czym element obrabiany musi być dobrze zamocowany. Jedną z możliwości jest lekkie, ale pewne zamocowanie rury: wytoczenie dopasowanego, krótkiego wsadu do wnętrza rury, włożenie wsadu i zamocowanie rury tą stroną. Tym samym wsad zabezpiecza rurę przed deformacją powodowaną dużym naciskiem. Części z tworzyw sztucznych o większych średnicach i grubszych ściankach można przykręcić do płyty lub bezpośrednio do blatu maszyny. Nowoczesne obrabiarki mają możliwość mocowania od wewnątrz i z zewnątrz, co tylko usprawnia bezpieczny uchwyt.

Prawidłowa geometria narzędzi
Przy nieprawidłowej geometrii maszyny mogą powstać problemy z wymiarem. Maszyna o zbyt dużym kącie wolnym, zamiast rozcinać produkt tłoczy go. Natychmiast po cięciu tworzywo z powrotem będzie się rozprężać, co spowoduje niekontrolowane zmiany wymiaru. Dodatkowo materiał będzie się nagrzewał, co wywoła kolejny problem ze stabilnością wymiaru. Przy chłodzeniu materiał znów się skurczy. Narzędzia typu HSS są zwykle w obróbce skrawaniem niewystarczające. Ważne jest by ostrze było wystarczająco naostrzone. Ponadto istotnym czynnikiem jest szlifowanie, dotarcie do części pracującej i wolnej maszyny oraz promień kąta większy niż 1 mm.

Odprowadzanie wiórów
Przy frezowaniu problem odprowadzania wiórów jest stosunkowo niewielki, ponieważ wióry można usunąć powietrzem lub środkiem chłodzącym. Przy toczeniu powstają wióry wstęgowe lub odpryskowe, przy czym te odpryskowe można przy toczeniu odprowadzać tak, jak przy frezowaniu. Do usuwania wiórów wstęgowych najskuteczniejsze są transwektory.

Forma wiórów
Forma wiórów jest szeroko dyskutowanym problemem przy obróbce skrawaniem. Preferowane są wióry odpryskowe lub wstęgowe. Koncern BASF przeprowadził badania dotyczące możliwości toczenia poliamidów, z których płynie kilka wniosków.

Po pierwsze forma wiórów zależy w dużej mierze od geometrii ostrza, przekroju wiórów i prędkości cięcia. Wióry odpryskowe powstają przy dużym kącie natarcia (od 20 st.) przy dużym posuwie (od 0,4 mm/U) i dużej prędkości cięcia (od 800 m/min). Są one najbardziej przestrzenne, co w niektórych sytuacjach może doprowadzić do pękania powierzchni. Dlatego stosowane są przede wszystkim przy obróbce zgrubnej.

Wióry wstęgowe powstają natomiast przy mniejszych wartościach ustawień (np. kąt natarcia 6 st., posuw do 0,3 mm/U, prędkość cięcia 1400 m/min). Średnia prędkość i ekstremalnie długie posuwy prowadzą do najlepszych rezultatów skrawania.

Z kolei duże prędkości przy małych posuwach powodują silne wydzielanie ciepła aż do topnienia. Prędkość i posuw należy dobrać w ten sposób, aby powstające ciepło odprowadzane było wiórami. Aby nie doprowadzić do rwania, poleca się pracę w początkowej fazie z dużym posuwem i późniejszą jego redukcję tuż przed końcem. Głębokość porów może być zmniejszona przez optymalizację kąta obróbki.

Trzeba koniecznie wiedzieć, że kryteria obróbki nie są jednakowe przy różnych typach poliamidu PA6. Ma na nie wpływ zawartość wilgoci w tworzywie, która jest różna w zależności od przekroju. Dlatego mogą powstawać różnice w obrabianym materiale, w zależności od czasu i miejsca oraz rodzaju przechowywania tworzywa. Parametry tworzyw sztucznych też nie są stałe. Dlatego optymalizacja procesu skrawania przy danych parametrach zależy także w dużej mierze od doświadczenia obrabiającego.

Szczątkowe naprężenie własne w półprodukcie
Wszystkie tworzywa sztuczne w zależności od metody obróbki mają określone własne naprężenia szczątkowe. Jeśli z półproduktu skrawana jest duża ilość materiału, zachodzą wtedy zmiany w rozkładzie naprężeń. W niekorzystnych okolicznościach może prowadzić to nawet do pękania płyt. Należy liczyć się z tym, że jeśli skrawa się dużą ilość materiału i później obrabia otrzymany produkt, to zmieni on swoje wymiary w efekcie następującego po obróbce wyrównania napięć. Zatem może się zdarzyć, że nawet poprawnie obrobiony element następnego dnia po obróbce nie będzie się mieścił w granicach tolerancji.

By tego uniknąć należy zastosować środki zaradcze. Obrobić część przedwstępnie. Naddatek obróbkowy o wielkości ok. 2 mm - zależnie od wymiarów części - należy pozostawić. Później wypiętą z maszyny część pozostawić na ok. 24 godziny w celu wyrównania napięć i schłodzenia i dopiero po tym czasie przeprowadzić obróbkę ostateczną.

Produkcja elementów precyzyjnych
Poliamidy nie są najlepszym tworzywem w kwestii zachowalności kształtu. Oprócz charakterystycznych dla wszystkich tworzyw i stosunkowo dużych, w porównaniu do metali, zmian wymiarów przez rozszerzenie cieplne, przy poliamidach dochodzi jeszcze rozszerzenie w wyniku absorpcji wilgoci. O ile np. przy damskich rajstopach i nylonowych koszulach absorpcja ta jest pożądana, o tyle przy częściach technicznych może to prowadzić do problemów z wymiarem. Przy konstruowaniu zaleceń technicznych dotyczących obróbki, koniecznie trzeba uwzględniać te dane fizyczne.

Przy produkcji części precyzyjnych dochodzą jeszcze czynniki uboczne, jak rozgrzanie materiału w procesie skrawania, uwalnianie szczątkowych napięć własnych, ewentualnie warunki klimatyczne w zakładzie i magazynie.

W zaleceniach technicznych do obróbki należy uwzględnić takie sprawy jak fakt, że temperatura materiału przygotowywanego do skrawania powinna być uregulowana w taki sposób, by poziom naprężeń własnych był możliwie niski. Przed skrawaniem powinno się utrzymywać temperaturę stałą. Szczególnie ważne jest to w zimnych porach roku. Element obrabiany zgrubnie do ok. 1-2 mm.

Następnie należy części klimatyzować, tak by zmiana wymiaru pod wpływem wilgoci była możliwie mała. Klimatyzowanie powinno być przeprowadzane powyżej 80 st. C., tak by wyrównały własne naprężenie szczątkowe i część mogła się ewentualnie dokrystalizować. Przed obróbką ostateczną reguluje się temperaturę części do temperatury charakterystycznej dla późniejszego zastosowania produktu. Po ostatecznej obróbce produkt należy odpowiednio zapakować, tak by ustawiony poziom wilgoci nie zmienił się.

Toczenie
Tworzywa termoplastyczne można obrabiać także na tokarce. W porównaniu z obróbką laserową tokarka wygrywa pod względem prędkości cięcia przy dużym posuwie oraz pod względem głębokości cięć. Dzisiejsza technika pozwala na prędkość cięcia nawet 1000 m/min. Aby uzyskać gładką powierzchnię należy zaokrąglić profil cięcia. W przeciwieństwie do obróbki laserowej możliwe jest większe zaokrąglenie cięcia bez powstawania karbów.