OBRÓBKA TWORZYW SZTUCZNYCH

Jeśli chodzi o obróbkę mechaniczną tworzyw konstrukcyjnych, to w większości przypadków można ją przeprowadzić na standardowych obrabiarkach przeznaczonych do obróbki metalu, a w niektórych przypadkach także przy użyciu maszyn do obróbki drewna. Różnica polega na doborze innych parametrów obróbki, a także doborze innej geometrii narzędzi. W celu uzyskania znacznie lepszych rezultatów obróbki warto zwrócić uwagę na kilka istotnych elementów.

Ze względu na niską przewodność cieplną oraz stosunkowo niską temperaturę topnienia tworzyw sztucznych należy maksymalnie ograniczać ich nagrzewanie – w celu uniknięcia zmian wymiarowych, zmian barw, a także topnienia.

W związku z powyższym narzędzia do mechanicznej obróbki tworzyw powinny być:

• gładkie i dobrze naostrzone,
• powinny posiadać odpowiedni kąt przyłożenia, tak aby jedynie krawędź tnąca stykała się z obrabianym materiałem,
• należy zapewnić dobre odprowadzanie wiórów.

Jeżeli konieczne jest chłodzenie, to na ogół bardzo dobrze nadają się do tego emulsje olejowe, jednakże nie należy ich stosować przy obróbce materiałów łatwo ulegających pękaniu powierzchniowemu w trakcie obróbki skrawaniem. Dla tych materiałów odpowiedniejszymi chłodziwami są czysta woda lub sprężone powietrze.

Wskazówki ogólne

Niewzmocnione tworzywa termoplastyczne można obrabiać narzędziami ze stali szybkotnącej. Dla materiałów wzmocnionych konieczne są narzędzia ze spieków. Ze względu na słabą przewodność cieplną tworzyw sztucznych należy zapewnić dobre odprowadzanie ciepła. Najlepszym chłodzeniem jest odprowadzanie ciepła przez wiór.

Dokładność wymiarowa

Dokładne wymiarowo elementy wymagają stosowania półwyrobów odprężonych termicznie. W innym przypadku ciepło powstające przy skrawaniu wyzwoli naprężenia wewnętrzne, powodując odkształcenie elementu. Przy skrawaniu grubym wiórem należy pomiędzy obróbką zgrubną a wykańczającą zastosować ewentualnie odprężanie międzyoperacyjne, aby zlikwidować powstałe naprężenia termiczne. Materiały o podwyższonej wodochłonności, np. poliamidy, należy również poddać sezonowaniu przed obróbką.

Narzędzia

Narzędzia ze stali szybkotnącej (HSS), stali węglowej oraz ze stali twardej idealnie sprawdzają się w przypadku obróbki wielu tworzyw sztucznych. Bardziej zaawansowane narzędzia płytkami z węglików wolframowych lub z diamentu ceramicznego lub polikrystalicznego (PCD) są zalecane w przypadku długich serii produkcyjnych. Z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku obróbki szkła oraz materiałów wzmocnionych włóknem węglowym lub wypełnionych grafitem. Narzędzia z węglików spiekanych mogą być stosowane w przypadku krótkich serii produkcyjnych.

Chłodzenie/Chłodziwa

W obróbce tworzyw sztucznych, poza wierceniem i cięciem, chłodziwa nie są zazwyczaj konieczne. Jednakże zapewnienie odpowiednio niskiej temperatury na obszarze cięcia zasadniczo poprawia jakość powierzchni końcowej oraz zapewnia zachowanie tolerancji wymiarowej. Gdy konieczne jest zastosowanie chłodziw, zasadniczo wystarczająco dobrze sprawdzają się chłodziwa, które rozpuszczają się w wodzie. Nie powinny być one jednak stosowane podczas obróbki amorficznych tworzyw sztucznych, ponieważ materiały te są podatne na pękanie naprężeniowe. Dla tych materiałów najlepszymi chłodziwami są czysta woda oraz sprężone powietrze.

Gdy podczas obróbki amorficznych tworzyw sztucznych nie można uniknąć wykorzystania chłodziw rozpuszczalnych w wodzie lub przeznaczonych do ogólnego zastosowania płynów na bazie ropy naftowej (np. podczas wiercenia dużych średnic, głębokich otworów lub podczas operacji gwintowania), obrabiane elementy najpierw powinny być dokładnie oczyszczone przy użyciu alkoholu izopropylowego, a następnie przemyte czystą wodą w celu zmniejszenia ryzyka pęknięcia naprężeniowego. Silny strumień sprężonego powietrza lub chłodziwa także usuwa wióry z obszaru obróbki, skutecznie uniemożliwiając im zakłócenie procesu obróbki.

Tolerancja obróbki

Tolerancja wymiarowa w obróbce wymagana dla elementów z tworzyw sztucznych jest zazwyczaj wyższa niż w przypadku obróbki elementów metalowych. Wynika to z wyższego współczynnika rozszerzalności cieplnej, niższej sztywności i większej elastyczności, ewentualnie obrzęku z powodu absorpcji wilgoci i możliwych odkształceń spowodowanych przez odprężanie powstające w trakcie i po obróbce. To ostatnie zjawisko występuje głównie na elementach, na których obróbka powoduje zmiany asymetryczne. W takich przypadkach korzystna może być obróbka „zrównoważona” zmniejszająca deformację lub obróbka cieplna (odprężanie) przeprowadzana po wstępnej obróbce.

W przypadku elementów toczonych lub frezowanych przyjmuje się tolerancję obróbki w zakresie od 0,1 do 0,2% wielkości nominalnej (minimalna tolerancja dla małych rozmiarów 0,05 mm). Tolerancję regulują normy ISO 2768 oraz DIN 7168.

Toczenie

Dla powierzchni o szczególnie wysokiej jakości należy stosować profil noża z szeroką krawędzią wykańczającą. Przy odcinaniu należy stosować noże przeszlifowane, aby zapobiec powstaniu zadziorów. Dla przedmiotów cienkościennych, a zwłaszcza elastycznych, najlepiej stosować noże z ostrzem krojącym. Strumień wiórów wytwarzanych podczas toczenia oraz wiercenia elementów z tworzyw sztucznych może być niwelowany przy użyciu układu sprężonego powietrza. W ten sposób unika się osadzania wiórów wokół uchwytów, narzędzi lub elementu obrabianego.

Frezowanie

Frezowanie płaszczyzn czołem freza jest ekonomiczniejsze niż obwodem. Przy frezowaniu obwodem lub frezowaniu kształtowym nie należy stosować narzędzi o więcej niż 2 ostrzach, aby zmniejszyć wibracje związane z liczbą ostrzy i pozostawić dostatecznie duże wręby międzyzębne dla dobrego odprowadzania wiórów. Optymalną wydajność i jakość obróbki uzyskuje się przy narzędziach jednoostrzowych.

Wiercenie

Wiertła kręte wykonane ze stali szybkotnącej bardzo dobrze sprawdzają się w pracy z tworzywami sztucznymi. Powinny one posiadać kąt linii śrubowej 12-16° i bardzo gładkie rowki, aby zapewnić dobre odprowadzanie wiórów. W czasie ich pracy generowane jest jednak ciepło, zatem powinien być stosowany płyn chłodzący. W przypadku dużych średnic otworów zaleca się stosowanie wierteł z cienkim rdzeniem w celu zmniejszenia tarcia, a tym samym wydzielania ciepła.

Dla otworów o dużych średnicach zaleca się stosowanie wiertła o cienkim rdzeniu. Zaleca się również wiercenie wstępne: np. otwór o średnicy 50 mm należy wykonywać wiercąc stopniowo średnicę 12 i 25 mm, a następnie rozwiercać ten otwór wiertłami coraz większymi lub nożem wytaczarskim 1-punktowym. Przy drążeniu lub wierceniu na wylot, należy przed końcem operacji zmniejszyć posuw, aby nie dopuścić do gwałtownego wyjścia narzędzia z materiału. Przy wierceniu w materiale pełnym należy zwracać uwagę na nienaganne naostrzenie wiertła, gdyż w przeciwnym razie naprężenia ściskające, powodowane tępym wiertłem mogą osiągać wartości powodujące pękanie materiału. Wzmocnione tworzywa sztuczne charakteryzują się większymi naprężeniami poobróbkowymi przy równocześnie mniejszej udarności i dlatego są bardzo wrażliwe na pęknięcia.

Niektórzy operatorzy przed wierceniem podgrzewają tworzywo do około 120 - 150°C (czas nagrzewania: 1h na 10 mm przekroju). W takim przypadku należy zwrócić uwagę, aby po wierceniu, a przed rozpoczęciem prac wykończeniowych, element z tworzywa całkowicie ostygł do temperatury pokojowej.

Podczas wiercenia lub wiercenia otworów przelotowych posuw powinien zostać zmniejszony na dole cięcia w celu zapobieżenia sytuacji, w której wiertło przeciągnęło na stronę wylotową, powodując odpryski lub złamanie.
Nie zaleca się także ręcznego posuwu wiertła, jako że wiertło może „chwycić” i naprężyć materiał.

Cięcie

W obróbce tworzyw sztucznych można wykorzystywać piły taśmowe, piły tarczowe i piły ramowe o szeroko rozstawionych ostrzach, co zapewnia dobre odprowadzanie wiórów. Ostrza powinny być również ustawione na tyle, aby zminimalizować tarcie pomiędzy piłą i elementem obróbki, a także w celu uniknięcia zbliżenia się za krawędzią tnącą, co powoduje nadmierne gromadzenie się ciepła i nawet zablokowanie piły. Prawidłowe zamocowanie elementów na stole roboczym jest wymagane, aby uniknąć wibracji i w konsekwencji obróbkę zgrubną lub nawet pęknięcia.

Ważne: Niektóre wzmocnione tworzywa sugeruje się ciąć przy użyciu pił taśmowych, których rozstaw zębów waha się między 4 do 6 mm. Nie należy korzystać z pił tarczowych, gdyż ich użycie zwykle prowadzi do pęknięć.

Należy unikać wytwarzania zbędnego ciepła wskutek tarcia, gdyż przy piłowaniu przecina się zazwyczaj stosunkowo grube przedmioty cienkim narzędziem. Dlatego należy stosować tylko dobrze naostrzone i mocno rozwiedzione brzeszczoty.

Gwintowanie

Gwinty najlepiej toczyć nożami. Powstawaniu gratu zapobiegają noże dwuzębne. Nie zaleca się stosowania narzynek, gdyż przy wycofywaniu może następować zniekształcenie gwintu. Gwintowniki w wielu przypadkach muszą być wykonywane w nadwymiarze (zależnym od materiału i średnicy gwintu – wartość orientacyjna 0,1 mm).

Pakowanie ochronne przed wilgocią

Niektóre tworzywa sztuczne wchłaniają wilgoć z otoczenia. Po pewnym czasie może to powodować spuchnięcie elementów i zmianę ich wymiarów. Dlatego ważne jest, aby elementy z tworzyw sztucznych były suche przed ich instalacją. Powinny być przechowywane w zamkniętych workach ze środkiem osuszającym. Dodatkowe powleczenie wszystkich powierzchniach folią pomaga zminimalizować wchłanianie wilgoci.

Elementy obrabiane, które wchłonęły wilgoć, a tym samym zmieniły im się wymiary, można osuszyć i tym samym odzyskać ich pierwotne wymiary. Zwykle osuszanie wykonuje się w piecach próżniowych aż do uzyskania pierwotnej masy produktu (w zależności od rodzaju tworzywa ustawia się temperaturę w zakresie od 60 - 70°C aż do 150°C). Czas schnięcia oczywiście zależy od zawartości wilgoci w elementach, jak również od ich grubości, ale minimum to 24 godziny na każde 3 mm grubości elementu.

Środki bezpieczeństwa

Obróbka technicznych tworzyw sztucznych nie stanowi większego niebezpieczeństwa niż obróbka tradycyjnych materiałów. Przy nieprzestrzeganiu parametrów skrawania może dochodzić do lokalnych przegrzań, których skutkiem może być nawet rozkład materiału. Uwalniające się przy tym produkty rozkładu, m.in. z napełniaczy PTFE, należy wychwytywać przez instalacje odsysające. Z uwagi na możliwe skażenia, na stanowisku pracy nie należy przechowywać wyrobów tytoniowych. Pracownik winien przestrzegać zaleceń związanych z bezpieczeństwem i higieną pracy w przemyśle maszynowym, zapoznać się z kartą bezpieczeństwa i zwrócić ewentualnie uwagę na specjalne zalecenia