Оборудование и инструменты для обработки изделий, отформованных из листовых полимеров

Под обработкой изделий, отформованных из листовых полимеров, понимают комплекс технологических операций, в результате выполнения которых изделия, изготовленные методами формования, приобретают окончательную форму и внешний вид, предусмотренный конструктором изделия. Выполнение операций по обработке обеспечивает не только заданную конфигурацию и размеры изделий, но и более высокое качество, чем-то, которое могло быть достигнуто в процессе формования. Чем рациональнее конструкция изделия и оформляющего инструмента, тем меньше требуется дополнительных операций по механической обработке и отделке изделия.

Снижение трудоемкости операций по обработке достигается применением совмещенных с процессом формования технологических операций по вырубке локальных отверстий и отжиму избыточной кромки благодаря наличию специальных вырубных и других элементов в конструкции формы.

Однако чаще вырубку изделий, полученных вакуумным или пневматическим формованием, и пробивку в них отверстий осуществляют на автономных или входящих в формующий агрегат гидравлических, пневматических или механических прессах с номинальным усилием 150—1600 кН.

При крупносерийном производстве изделий на специализированном оборудовании узел вырубки входит непосредственно в состав формующего агрегата. В остальных случаях вырубка изделий производится на вспомогательном оборудовании.

Конструкция некоторых изделий не позволяет использовать вырубку для их отделения от полотна заготовки. Кроме вырубных устройств [5], даже в случае отделения изделия в одной плоскости, приходится применять и другие приспособления (табл. 4.6).

Таблица 4.6

Варианты отделения готового изделия от полотна заготовки в одной плоскости.

Вид устройства	Вид обрезки
Ударный сдвиг (только для жестких термопластов).	А.
Ленточная пила с вертикальным резом.	А.
Дисковая пила.	А.
Лобзик.	А и Б.
Ручной фасонно-фрезерный станок с концевыми или дисковыми фрезами и направляющей по шаблону (см. рис. 4.35).	А и Б.
Координатный фрезерный станок.	А и Б.
Горизонтальная ленточная пила (см. рис. 4.36).	Б.
Вырубные ножницы с направляющей по шаблону.	А.
Пресс для вырубки штанцевыми формами (при толщине стенки < 2 мм с нагревом вырубного инструмента).	А.

Вид устройства.	Вид обрезки.
Валково-вырубной пресс с штанцевыми формами (при толщине стенки < 1,2 мм).	А.
Штамп.	А.

В ряде случаев после вырубки изделия необходимо провести его зачистку. Под зачисткой изделий из листовых полимеров понимают технологический процесс по снятию и удалению заусенцев, образующихся на периферийной кромке изделия после вырубки. Как правило, операции по зачистке не трудоемки и не требуют применения сложных приспособлений и инструментов.

Рис. 4.35. Схема ручного фасонно-фрезерного станка:

• 1 — шаблон (кондуктор); 2 — сенсорный ролик;
• 3 — опорный стол; 4 — фрезерная головка

Рис. 4.36. Схема горизонтальной ленточной пилы:

1 — отформованное изделие; 2 — ленточный конвейер с перфорацией для отделения опилок; 3 — подпружиненные нижние держатели с контактными прижимными роликами; 4 — пропил; 5 — ленточное или ножевое полотно; б — направляющая для ленточной пилы; 7 — стопор; 8 — желоб для подачи изделий с формующего оборудования Если на поверхности изделия требуется сохранить первичные свойства поверхности исходной заготовки или даже несколько их улучшить, то применяют операцию доводки. Так, при производстве листов из полиметилметакрилата и поликарбоната и деталей из них из-за царапин, «серебра», подтеков на поверхности и других дефектов резко ухудшаются оптические свойства изделий. Внедрение в практику операции доводки в большинстве случаев исключает подобные дефекты на изделиях.

Улучшение качества изделий можно добиться и в результате механической обработки резанием. Операции резания используются для сверления отверстий, отделки фасок и т. д. Кроме того, механическая обработка применяется для изготовления комплектующих деталей, которые приклеивают или приваривают к основному изделию, полученному формованием.

Под отделкой (полированием) изделий понимают операцию, в результате которой улучшается качество поверхности участков изделия, подвергшихся обработке. Отделка изделий является обязательной операцией лишь в тех случаях, когда к деталям предъявляются повышенные требования в отношении внешнего вида.

Для вырубки из листа серийно выпускаемых изделий применяют различные прессы с инструментом в виде ножей и штампов. В первом случае (рис. 4.37, а) необрезанные кромки изделия 4 устанавливаются на панели 3 из прессованных опилок или пластической массы с высокой жесткостью. Для вырубки изделия применяется контурный штанцевый нож 2, расположенный на плите 1 пресса. Толщина ножа (1,5—2,5) мм, а высота зависит от высоты изделия (при вырубке изделий, обращенных выпуклой частью в сторону ножа). Угол заточки режущей кромки примерно 30°. Во втором случае (рис. 4.37, б) вырубка ведется сдвиговым инструментом. Кромки изделия 5 зажимаются между штампом 6 и матрицей 7. При помощи этих устройств можно также вырубать отверстия и пазы в изделии. Во избежание «залипания» изделия на штампе за счет заряда статического электричества нож заземляется либо монтируется на деревянной или немагнитной металлической раме.

Рис. 4.37. Схемы штанцевого (о) и сдвигового (б) методов вырубки Для вырубки тонкостенных изделий могут быть использованы эксцентриковые (кулачковые), кривошипно-шатунные или валковые вырубные устройства, а также малые пневматические или гидравлические прессы. Обычно эти устройства входят в состав формующей машины.

Механическая вырубка толстостенных изделий производится с помощью штампов, устанавливаемых, как правило, на пневматических или гидравлических прессах. Для того чтобы изделие в процессе вырубки не смещалось, на неподвижной плите штампа предусмотрены специальные гнезда, куда закладывается обрабатываемая деталь.

Данные по удельным усилиям при вырубке листовых термопластов (площадь в данном случае определяется как произведение периметра вырубки на толщину изделия) приведены на номограмме (рис. 4.38) [5], демонстрирующей для штанцевого инструмента зависимость усилия, отнесенного к единице длины периметра реза, от толщины стенки изделия для различных полимеров. Авторы номограммы при этом подчеркивают, что приведенные в ней значения верны лишь при точном соблюдении следующих условий. Температура вырубаемого изделия должна быть от 20 до 30 °C, температура вырубной контрплиты — 20 °C, а износ кромки вырубного ножа не должен превышать 0,08 мм (см. рис. 4.38). При определении усилия учтен коэффициент запаса равный 1,5. Сплошными линиями показаны зависимости для различных материалов при температуре ножей, равной температуре окружающей среды (~ 20°С), пунктирными линиями — при температуре ножей 80 °C.

Чтобы не применять слишком мощных прессов вырубку можно производить с помощью горячих штампов. При нагреве термопласта предел его прочности при срезе понижается и поэтому требуется значительно меньшее усилие вырубки. Обычно применяют электрический или масляный обогревы штампа.

Удельные давления прижима при вырубке листовых термопластов (при комнатной температуре) приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Удельные давления прижима при вырубке отверстий в изделиях из некоторых термопластов, МПа.

Помимо схемы, представленной на рис. 4.37, а, с использованием ответной панели 3 на практике применяются схемы, предусматривающие в нижней плите специальную прорезь, в которую входит контурный нож (рис. 4.39). Такая схема позволяет увеличить количество изделий, вырубленных между двумя заточками контурного ножа. В связи с тем, что перезаточки ножей производятся достаточно часто, конструкция крепления ножей должна обеспечивать их легкий монтаж и демонтаж. Пример крепления ножей представлен на рис. 4.40.

Рис. 4.38. Зависимость усилия, отнесенного к единице длины периметра реза, от толщины стенки изделия для различных полимеров:

• 1 /21 — ударопрочный полистирол; 2/22 — АБС-пластик;
• 3/23 — полиэтилен высокой плотности; 4/24 — полипропилен;
• 5/25 — поливинилхлорид; 6/26 — поликарбонат; 7/27 — полиэтилентерефталат; 28 — полистирол (пояснения в тексте)

Рис. 4.39. Схема вырубки без ответной панели

Рис. 4.40. Схема крепления вырубного ножа:

1 — плита; 2 — рама; 3 — нож Заточка вырубных ножей может быть различной (рис. 4.41).

Рис. 4.41. Способы заточки вырубных ножей (пояснения в тексте).

Симметричные углы заточки (рис. 4.41, а—в) используются для вырубки в точке реза. Варианты заточки, показанные на рис. 4.41, а, б, лучше подходят для вырубки тонкостенных изделий с толщиной до 0,5 мм. Заточка, приведенная на рис. 4.41, в используется для вырубки изделий с толщиной стенки более 0,5 мм. Асимметричные углы заточки (рис. 4.41, г—з) предназначаются в первую очередь для обрезки деталей, не имеющих кромки. Варианты заточки, представленные на рис. 4.41, г—е, рекомендуют для вырубки тонкостенных изделий с толщиной до 0,5 мм, а типы заточки соответствующие рис. 4.41, ж, з, используются для вырубки изделий с толщиной стенки более 0,5 мм.

При сдвиговом методе вырубки используются четыре вида заточки — плоская, конусообразная, сферическая и наклонная (рис. 4.42). При конусообразной заточке происходит сочетание сдвигового и режущего фактора, причем соотношение между этими воздействиями на материал зависит от угла заточки а. Аналогичное воздействие на материал оказывает сферическая заточка.

Чтобы избежать при вырубке смещения ножей относительно вырубаемых изделий, используются направляющие колонки с конической заходной частью, которые закрепляются на подвижной плите (рис. 4.43).

Рис. 4.42. Схемы плоской (о), конусообразной (б), сферической (в) и наклонной (г) заточки сдвигового инструмента:

1 — вырубной пуансон; 2 — вырубная плита; 3 — прижим.

Рис. 4.43. Схема вырубного ножа с направляющими колонками

На контрплите предусматриваются ответные втулки. На вырубных штампах малых и средних размеров устанавливаются по диагонали две направляющих колонки, на больших — четыре.

Многопозиционные машины, предназначенные для производства мелкой тары, снабжаются соответствующими вырубными устройствами. Существует три варианта компоновки этих устройств: вырубной узел размещен на формовочной машине отдельной позицией; вырубной пресс совмещен с позицией формования и вырубной пресс входит в комплект агрегата в виде отдельной единицы.

Наиболее просты по конструкции первый и третий варианты, однако при этом формовочное оборудование становится более громоздким и требуется очень большая точность перемещения формуемого листа или ленты полимера. В противном случае изделия могут вырубаться не точно, повреждаясь при вырубке. Второй вариант позволяет получить компактное решение, но связан со значительным усложнением узла формования.

Для вырезки одного или группы отформованных изделий из основного листа в тех случаях, когда вся линия обрезки лежит в одной плоскости, иногда применяют валковые прессы [5,6], схема работы которых показана на рис. 4.44. Между валками пресса закладывается опорная плита 5 толщиной около 20 мм, сделанная из фанеры, чтобы не повреждать поверхность валков. На плите 5 располагается лист 3 из вспененного материала (например, из микропористой резины), который обеспечивает выталкивание изделия. На лист 3 устанавливают заготовку с отформованными изделиями 2. Поверх заготовки укладывается вырубная контрплита 1, чаще всего сделанная из полипропилена. Толщина контрплиты должна быть около 4 мм. В опорной плите 5 установлены ножи 4 вырубного контура, под которые снизу подкладывается самоклеящаяся монтажная лента 6. Собранный таким образом «пакет» подается в межвалковое пространство, сжимается и происходит вырубка изделий. Наиболее важными параметрами процесса вырубки на валковых прессах являются величина зазора между валками и скорость вращения валков. Во избежание штрихоподобного реза «пакет» должен подаваться в межвалковый зазор под небольшим углом, как это показано на рис. 4.44, б.

Рис. 4.44. Схема вырубки штанцевой формой на валковом прессе:

а — поперечное сечение; б — вид сверху (пояснения в тексте) Для ручной обрезки толстостенных изделий можно использовать гильотинный нож или ручную ленточную пилу.

В последнее время для отделения готовых от заготовок изделий, полученных на высокопроизводительном автоматическом формующем оборудовании, стали использоваться обрезка лазером и водяной струей.

Обрезка лазером позволяет получить в различных плоскостях узкую линию реза с краями, не требующими никакой дополнительной обработки. Однако при этом в изделии могут возникать дополнительные напряжения, отрицательно сказывающиеся на эксплуатационных свойствах изделий. Кроме того, из-за термической деструкции полимера во время лазерной резки выделяются вредные для здоровья человека газы, которые необходимо улавливать и утилизировать. Оборудование для резки лазером стоит достаточно дорого.

При резке водяной струей используется либо чистая вода, либо вода, содержащая мелкодисперсные абразивные частицы. Вода подается через сопла с диаметром от 0,10 до 0,4 мм под давлением от 250 до 450 МПа. Рез по качеству не уступает лазерному. Оборудование стоит значительно дешевле. В процессе реза не возникает термодеструкции материала. При этом скорости реза меньше, чем скорость реза лазером. Возникает необходимость использования жестких оправок под изделия, чтобы противостоять усилиям, возникающим от действия водяной струи высокого давления. Не рекомендуется использование метода при обрезке изделий из гигроскопичных материалов.

Зачистка изделий после формования производится на различном оборудовании, в том числе можно использовать деревообрабатывающие станки (шлифовально-ленточные, шлифовально-дисковые) и различный ручной электроинструмент.

Зачистку изделий при индивидуальном производстве, а также деталей сложной конфигурации со сложным профилем зачистки производят вручную с помощью напильников. Для снятия грубых заусенцев в индивидуальном производстве могут быть также использованы ручные приспособления [5] из листовой стали, имеющие форму, показанную на рис. 4.45.

Рис. 4.45. Ручной инструмент для снятия заусенцев

Небольшие по габаритам серийно производимые изделия зачищают на ленточных и дисковых зачистных станках.

Ленточный зачистной станок имеет два параллельных вращающихся валика, на которые натянута непрерывная абразивная лента. Если после обрезки остались значительные неровности, то при обработке методом ленточного шлифования сначала используют абразивную ленту с относительно крупными частицами абразива, а затем ленты с последовательно уменьшающимися размерами абразивных частиц, пока не достигается глянцевая поверхность. При незначительных неровностях, оставшихся после вырубки, рекомендуется начинать с мелкозернистой ленты, а затем переходить на высокие номера (с еще меньшей зернистостью). Ленты для обработки изделий следует изготовлять на тканевой основе с применением водостойкого клея. Ленточные шлифовальные станки при выполнении отделочных операций должны работать с охлаждением (обычно разбрызгиванием воды на ленту) и с малой подачей, чтобы уменьшить теплоту трения и предохранить абразивную ленту от забивания стружкой. Необходима тщательная фильтрация охлаждающей воды, чтобы предохранить поверхность обрабатываемых деталей от повреждений абразивными частицами.

На дисковых зачистных станках для зачистки изделий из термопластов можно использовать следующие типы кругов:

• — мягкие электрокорундовые зернистостью 25—50 на керамической или бакелитовой связках;
• — абразивные ленты с приклеенными зернами из карбида кремния зернистостью 2,5—3;
• — круги из дерева (их обтягивают кожей, на которую наклеивают абразивные зерна);
• — из фибры или кожи (их делают цельными или в виде наборного кольца на деревянном или металлическом основании);
• — из войлока;
• — из фетра;
• — из хлопчатобумажных и шерстяных тканей и т. д.

Тканые круги изготовляют прессованными или прошитыми. Прошитые круги делают из бязи, байки, фланели и т. п. Упругость прошитых кругов зависит от рода ткани, плотности прошивки, диаметра зажимных фланцев. Прессованные круги изготовляют из брезента, парусины, сукна и других тканей путем склеивания дисков и сушки под давлением. Эти круги обладают большой плотностью и жесткостью, а также высокой производительностью. Абразивные зерна приклеивают к дискам мездровым или казеиновым клеем, жидким стеклом и т. д.

При зачистке изделий скорость резания не должна превышать 20—25 м/с из-за низкой теплостойкости термопластов. Во время зачистки деталь должна быть прижата к вращающемуся диску или ленте. Во избежание прижога ее нельзя держать долго в одном положении. Вода, подаваемая на ленту или диск при шлифовке, снижает нагрев материала при трении, предотвращает «засаливание» абразива, препятствует образованию абразивной пыли, позволяет увеличить скорость обработки.

Для зачистки крупных деталей, обработка которых на стационарных станках неудобна, применяют ручные шлифовальные машинки с пневматическим или электрическим приводом через гибкий шланг или кабель.

Режимы обработки полимера шлифованием приведены в табл. 4.8.

Таблица 4.8

Режимы резания при шлифовании изделий из термои реактопластов.

Метод доводки заключается в срезании с поверхности изделий из термопластов тончайших (в несколько микрон) слоев материала специальным стальным пластинчатым инструментом. Метод доводки представляет собой комплекс следующих технологических приемов:

• 1) чернового выравнивания поверхности листа или детали строганием, фрезерованием или обточкой;
• 2) чистого выравнивания поверхности листа или детали после черновой обработки специальным инструментом (рис. 4.46);
• 3) первичной и окончательной полировкой пастами.

Как правило, отформованное изделие сохраняет глянец поверхности листа, из которого оно изготовлено. Однако иногда возникает необходимость в отделке поверхности некоторых частей готового изделия. Чаще всего подвергаются полированию те места, где была произведена зачистка. Этот процесс состоит из трех операций: предварительное полирование, окончательное полирование и протирка (глянцевание).

Для полирования применяют полировальные шайбы, представляющие собой набор определенного числа полировальных и прокладочных кругов. Общая толщина полировального круга не должна превышать 150 мм.

Для предварительного, чернового полирования применяют хлопчатобумажные, байковые и суконные полировальные круги. Для окончательного полирования используется бязь, байка, мадаполам, муслин.

Полировальные круги бывают твердые, т. е. с хордовой или спиральной прошивкой, и мягкие — непрошитые и самоохлаждающиеся.

Рис. 4.46. Доводка изделия:

а — схема доводки поверхности специальным инструментом; б — инструмент для доводки поверхности Твердые полировальные круги обычно применяют для грубого предварительного полирования и составляют из больших прошитых дисков диаметром примерно 400 мм, переложенных прокладочными дисками диаметром 200 мм до толщины 60—100 мм. Набранную в такой последовательности полировальную шайбу зажимают на шпинделе станка с помощью металлических шайб. Твердыми полировальными кругами исправляют механические повреждения поверхностей пластмасс — риски, царапины, выкрашивания, налипы и т. д. Мягкие полировальные круги применяют для окончательного полирования деталей. Их составляют из непрошитых матерчатых дисков большого диаметра, переложенных двумя-тремя прокладочными дисками.

Для полирования применяют переносные полировальные станки с гибким валом, на конце которого находится круг. Частота вращения полировальных кругов и шайб 16—33 об/с. Меньшие значения частоты вращения применяют при обработке термопластов, большие — при обработке реактопластов. Частота вращения кругов менее 16 об/с приводит к существенному снижению производительности полирования.

Срок службы полировальных кругов от 4200 до 4800 мин непосредственного полирования. В процессе работы круги изнашиваются, разлохмачиваются, их периодически подрезают, уменьшая диаметр на 5—10 мм. Круги диаметром, уменьшенным до 150 мм, непригодны для дальнейшей работы.

Рабочие поверхности кругов покрывают полировальными композициями — смешанными с водой порошками, пемзой, пастой и т. д.

Полирование на станках ведут за две операции: предварительную, когда удаляют следы предыдущей обработки, царапины, риски, и окончательную, придающую блеск обработанной поверхности.

Самоохлаждающиеся полировальные круги используют для окончательного полирования деталей из термопластов. Их составляют из матерчатых дисков (хлопчатобумажная ткань, муслин) диаметром 300 мм и прокладочных дисков диаметром 75—100 мм в последовательности: один большой диск, два прокладочных, при этом толщина полировальной шайбы не должна превышать 100—120 мм. Самоохлаждение кругов достигается за счет циркуляции воздуха между прокладочными дисками. Самоохлаждающиеся круги обычно не прошивают.

Многие изделия, получаемые методами термоформования и разделительной штамповки, должны иметь одно или группу отверстий. При термоформовании эти отверстия могут быть получены или уже на заготовке, в этом случае предварительно перфорированная заготовка формуется с помощью резиновой мембраны, или непосредственно в процессе формования (на машинах для механопневмоформования). Однако чаще отверстия проделывают на уже отформованном изделии. Они могут быть получены вырубкой или сверлением.

Отверстия в плоских изделиях получают, как правило, непосредственно при разделительной штамповке, однако бывают случаи, когда это приходится выполнять с помощью дополнительной операции.

Вырубка экономичнее при получении отверстий в тонкостенных изделиях и при пробивке группы отверстий на одной плоскости толстостенного изделия. Особенности процесса вырубки уже были описаны выше. В остальных случаях предпочтительнее сверление.