Лекция 16 Обработка пластмасс

Полимеры классифицируют по ряду признаков. По происхождению полимеры подразделяются на:

• природные, или натуральные (например, биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды);

• искусственные(получаемые химической переработкой природных полимеров, например ацетилцеллюлоза);

• синтетические(получаемые путем синтеза низкомолекулярных веществ — мономеров).

В зависимости от строения макромолекул различают полимеры линейной, разветвленной и сетчатой структуры.

Макромолекулы полимеров линейной структуры представляют собой открытую линейную цепь (например, натуральный каучук) или вытянутые в линию последовательные циклы (например, целлюлоза). Полимеры такого вида имеют невысокую прочность, легко плавятся, растворяются в органических растворителях.

Макромолекулы полимеров разветвленной структуры имеют форму линейной цепи с ответвлениями в виде коротких ветвей. Такие полимеры, как правило, менее эластичны, при нагревании размягчаются, но трудно плавятся, в растворителях лишь набухают.

Макромолекулы полимеров сетчатой структуры — результат связывания (сшивания) линейных и разветвленных цепей поперечными связями (мостиками). Эти полимеры чаще всего имеют кристаллическое строение, при повышенной температуре не плавятся, не разлагаются, не растворяются ни в каких растворителях и лишь иногда способны набухать (резина, поликонденсационные смолы).

По химическому составу макромолекул различают:

• гомополимеры— полимеры, образованные из одного мономера, например полиэтилен;

• сополимеры — полимеры, образованные из двух и более различных мономеров (например, бутадиен-стирольный каучук);

• олигомеры — полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы. К олигомерам относятся многие синтетические, смолы — феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие, а также некоторые природные вещества, например антибиотики.

По химическому составу основной цепи полимеры делятся на:

• гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов;

• гетероцеппые, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего С, N, P, Si.

Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные, которые содержат в основной цепи звенья только из атомов углерода.

В зависимости от фазового состояния полимеры могут находиться в кристаллическом, жидком (аморфном) и жидкокристаллическом (аморфно-кристаллическом) фазовых состояниях, различающихся степенью упорядоченности частей макромолекул в структуре полимера.

По отношению к нагреву все полимеры подразделяют на две большие группы:

• термопластичные, которые могут размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Таким образом, их можно многократно нагревать до температуры плавления и охлаждать. Это свойство термопластичных полимеров позволяет осуществлять их неоднократную переработку, в том числе используя брак и отходы. К термопластичным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид и др.;

• термореактивные (реактопласты), которые плавятся при нагревании лишь в процессе образования, а затем их молекулы связываются между собой и образуют пространственную структуру, вследствие чего полимер затвердевает, необратимо теряя способность плавиться. К термореактивным полимерам относятся некоторые фенолоформальдегидные и другие поликонденсационные полимеры.

По назначению полимерные материалы делятся на следующие группы:

• пластические массы (пластмассы, пластики) и композиты;

• эластомеры (каучуки и резины);

• химические волокна;

• лакокрасочные материалы, полимерные покрытия и пленки;

• клеи и герметики.

Полимерные материалы отличаются от традиционных материалов, издавна используемых человечеством, комплексом особых свойств, высокой экономичностью методов переработки в изделия, практически неограниченной сырьевой базой. Для полимерных материалов характерны следующие положительные свойства:

• малая плотность и, как следствие, — высокий условный показатель прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к плотности), превышающий аналогичный показатель лучших сортов стали;

• устойчивость к воздействию агрессивных сред, атмосферному и радиационному;

• ярко выраженные радио- и электротехнические свойства, в том числе диэлектрические, мало зависящие от температуры и частоты электрического поля;

• широкий регулируемый диапазон фрикционных свойств;

• специфические оптические свойства, способность пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовые (70 % для полиметилметакрилата против 1—3 % для силикатного стекла);

• возможность целенаправленного изменения физико-механических и химических свойств полимеров, сочетания в одном материале противоположных качеств, например твердости и гибкости.

К недостаткам полимерных материалов относятся:

• низкая теплостойкость (как правило, она не превышает 120°С, за исключением фторопластов и кремнийорганических полимеров);

• недостаточные по сравнению с металлическими сплавами твердость и прочность;

• ползучесть, т.е. изменение формы и прочности под механическими воздействиями, особенно при повышении температуры;

• большое тепловое расширение;

• низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла;

• склонность к старению, т.е. деструктивному разрушению с течением времени и ухудшению показателей физико-механических свойств.

Тем не менее, использование современных полимеров позволяет снизить материалоемкость продукции за счет замены традиционных конструкционных материалов. Технически возможное и экономически целесообразное применение полимеров вместо металлических сплавов позволяет достичь значительной экономии капитальных затрат, так как для производства пластмасс требуются значительно меньшие капиталовложения, чем для производства эквивалентного объема металлов, особенно тяжелых цветных. Особенно эффективна замена полимерами тяжелых цветных металлов, коррозионностойкой стали, ценных сортов древесины.

В последнее время расширяется использование нефтехимического сырья для производства полимеров, синтезируются новые виды полимеров и сополимеров с улучшенными свойствами, в том числе с применением радиационно-химической технологии, создаются полимеры с уникальными свойствами, например для мембранной технологии.

Пластмассы обладают сочетанием ряда ценных качеств: небольшой удельный вес (в среднем 1,4), хорошие физико-механические и электроизоляционные свойства, хорошая стойкость против действия кислот, щелочей и солей, светостойкость, известная термостойкость, хороший вид поверхности.

Пластмассы обладают высокой способностью гасить вибрации и уменьшать возникающие в механизмах шумы. Пластмассы отличаются износоустойчивостью. При работе без смазки они обладают высоким коэффициентом трения, тогда как при смазке водой или маслом коэффициент трения очень низкий.

Поэтому пластмассы применяют для изготовления тормозных лент и колодок, для подшипников, поршней насосов, трущихся частей и т.п. Вследствие высоких изоляционных свойств, пластмассы широко употребляют в электромашиностроении, в технике слабых токов, в радиотехнике и т.д.

Фенольно-формальдегидные смолы, называемые также бакелитами, получают в результате конденсации фенола (кристаллической карболовой кислоты) или креозола с формалином (водный раствор газа формальдегида) в присутствии катализаторов. Свежеприготовленная смола носит название резола или бакелита А. резол плавится, растворяется в спирте, ацетоне, щелочах, буре.
При нагревании резол переходит в резинообразное состояние и не имеет явно выраженной точки плавления. В этом состоянии он теряет способность растворяться в спирте и ацетоне, а только набухает в них. Эту разновидность смолы называют резитолом, или бакелитом В.
Если нагревание смолы продолжать, то резитол совершенно теряет способность плавиться, растворяться и набухать в растворителях. Это – конечная стадия превращений: смола переходит в состояние резита, или бакелита С. Резит стоек к действию соляной и серной кислот, бензина и масла, но разрушается от действия щелочей и крепкой азотной кислоты.

Аминопласты, или карбамидные пластмассы, получили свое название по основному сырью – карбамиду (мочевине), применяемому для их изготовления. Эти пластмассы подразделяют на литые смолы, прессовочные порошки и слоистые аминопласты.

Прессовочные порошки на основе карбамидных смол выгодно отличаются от прессовочных порошков фенолопластов тем, что дают возможность получать изделия самых разнообразных цветов. Из них изготавливают небьющуюся посуду, предметы украшения и поделок, мебельную арматуру и т.п.

Литые аминопласты представляют отвержденные соответствующей термической обработкой конечные продукты конденсации мочевины и формальдегида. Получаемые продукты сами по себе бесцветные, прозрачные как стекло или молочно-белые материалы.

Винилиты – это искусственные смолы, получающиеся при полимеризации некоторых химических соединений. Винилацетат получают при взаимодействии ацетилена и уксусной кислоты: он представляет бесцветную, прозрачную, с сильным ароматическим запахом жидкость, кипящую при 73°. Хлорвинил получают при взаимодействии ацетилена и хлористого водорода; он представляет бесцветный газ, который под давлением переходит в жидкость, кипящую при - 14°. Под действием света или нагревания оба эти вещества превращаются в бесцветные прозрачные смолы, обладающие рядом ценных свойств.Изделий из этих смол получают или методом горячей запрессовки или посредством литья под давлением.

Полиакрилаты получают полимеризацией эфиров акриловой и метакриловой кислот. Акриловые смолы представляют бесцветные и прозрачные продукты. Основными областями применения акрилатов являются небьющееся стекло, электроизоляционные изделия и аппаратура, лаковые покрытия и различные предметы украшений.

Асфальтопековые массы состоят, в основном, из пека (обычно каменноугольного), к которому при плавлении добавлены аморфный или волокнистый наполнитель и некоторые добавки. Получаемый таким образом материал обладает хорошей стойкостью к действию различных химических веществ.

В первую группу обрабатываемости входят ненаполненные термопласты со сравнительно однородными свойствами, наиболее легко обрабатываемые резанием. При обработке этих материалов образуется в основном непрерывная стружка и может быть получена небольшая шероховатость поверхности.

Во вторую группу входят термопласты типа полистирола, фторопласта, наполненные металлическим порошком, также сравнительно легко обрабатываемые резанием. Однако наличие металлических порошков вносит специфику в их обработку и в рекомендации по выбору режущих инструментов.

Третью группу составляют реактопласты в виде пенно- и поропластов. Высокая пористость не позволяет вести их обработку стандартными металлорежущими инструментами. Используются специальные конструкции инструментов с большими передними углами, малыми углами заострения.

Четвертая группа образована реактопласты с порошковым наполнителем типа древесной муки. В процессе резания образуется прерывистая, очень раздробленная стружка, проявляется склонность к скалыванию кромок обрабатываемых поверхностей.

пятую группу входят волокнонаполненные реактопласты, например, стекловолокнит АГ-4В. Материал с высокими абразивными свойствами из-за наличия стекловолокон, что затрудняет механическую обработку.

В шестую группу входят анизотропные слоистые реактопласты. По степени абразивного воздействия на инструмент эту группу подразделяют на две подгруппы. Текстолиты и гетинаксы, обрабатываемые сравнительно легко, образуют первую подгруппу. Стеклотекстолиты и другие армированные пластики с сильно выраженными абразивными свойствами вошли во вторую подгруппу.

 

Пластмассы поддаются всем видам обработки резанием, которая выполняется на обычных металлорежущих станках. При простановке размеров необходимо учитывать упругое последействие многих пластмасс после обработки.К основным операциям, получившим применение при обработке пластмасс резанием, относятся: снятие облоя (зачистка заусенцев), разрезка, точение, фрезерование, сверление, нарезание резьбы, шлифование и полирование. Большинство термопластов (оргстекло, винипласт, полистирол, капрон) не содержат наполнителей, и при их обработке возможно применение инструмента из углеродистой стали.В связи с различием физико-механических свойств пластмасс в каждом отдельном случае необходим индивидуальный выбор оптимальных режимов резания, материала и геометрических параметров инструмента.

При обработке термопластичных материалов в инструмент переходит 24% тепла, а при обработке термореактивных материалов — 90%. Концентрация тепла в инструменте вызывает нагрев его режущих кромок до высоких температур. В отличие от металлов, пластмассы имеют низкую теплостойкость — не выше 300 °С. Повышение температуры в зоне резания снижает показатели механических свойств обработанных поверхностей пластмасс. Термопластические материалы уже при 70—100°С размягчаются, обработанная поверхность оплавляется, и шероховатость ее увеличивается. При резании термореактивных материалов начиная с 160—250°С происходит разложение связующих смол, и качество обработанных поверхностей заметно ухудшается. Следовательно, при обработке термопластичных и термореактивных материалов следует выбирать такие режимы резания, при которых температура в зоне резания не была бы выше температуры теплостойкости обрабатываемого материала. Низкая теплопроводность полимерных материалов вызывает перегрев режущего инструмента и быстрое его затупление, что может служить причиной термической деструкции (обугливания) и механического разрушения обрабатываемой пластмассы в зоне резания. Износ инструментов, в основном абразивно-механический, наиболее интенсивно протекает по задней поверхности. Режущая кромка округляется.

Поэтому рекомендуется вести обработку пластмасс на больших скоростях с малыми подачами, хотя малые силы резания пластмасс позволяют применять и более интенсивные режимы их обработки.Скорости резания при разрезке термопластов на станках с механической подачей находятся в интервале 600—750 м/мин (толщина листов не менее 30 мм).

Необходимо учитывать, что при механической обработке винипласта из него в небольшом количестве выделяется газообразный хлороводород. При обработке с водяным охлаждением газ смешивается с жидкостью и образует слабый раствор соляной кислоты, который вызывает быстрое ржавление оснастки и станков. Не рекомендуется применять жидкостное охлаждение из-за скольжения инструмента по обрабатываемой поверхности. Кроме этого, многие пластмассы способны поглощать влагу, разбухая при этом. Для охлаждения режущего инструмента применяют сжатый воздух.

При обработке пластмасс без наполнителя материалами для режущего инструмента являются инструментальная углеродистая сталь, в других случаях — быстрорежущая сталь, металло- и минералокерамические материалы.Во избежание термической деструкции и механического разрушения пластмасс при обработке резанием необходимо изменить геометрические параметры заточки режущего инструмента по сравнению с нормализованным.

Для обработки термопластичных материалов резцы изготовляют из инструментальных углеродистых или быстрорежущих сталей со следующими геометрическими параметрами: у=15—20°; а= 18-25°; φ = 45°.Для обработки термореактивных материалов резцы изготовляют из быстрорежущих сталей либо оснащают пластинками твердого сплава марок ВК6, ВК8 со следующими геометрическими параметрами: у=10—20°; а- 10—20°; φ = 45°.При неправильной заточке резца или нарушении режимов резания на обработанной поверхности детали образуются ожоги, трещины, скалывание или отрывание слоев материала. Таблица 3.6. Режимы резания при точении изделий из пластмасс Обрабатываемый материал Материал резца Режимы резания V, м/мин S, мм/об t, мм Термопласты полиэтилен Быстрорежущая сталь 90–135 0,04–0,1 — винипласт То же 300–1000 0,1–0,2 до 10 фторопласт-4 -«- 25–300 0,03–0,1 0,25–1,0 полиметилметакрилат -«- 300–1000 0,08–0,12 0,5–1,0 полиамиды -«- 100–300 0,1–0,6 0,5–1,0 Реактопласты фенопласт ненаполненный Р18 200–400 0,1–0,6 1–4 волокнит ВК6 400–800 0,05–0,2 0,5–1,0 стекловолокнит АГ-4В ВК6М 130–200 0,1–0,5 0,5–4,0 текстолит ВК6 200–400 0,1–0,5 1–3

При токарной обработке не рекомендуют применять подачи более 0,3-0,5 мм/об. Скорость резания при пользовании резцами из твердых сплавов может составлять 60-100 м/мин., а при пользовании резцами из быстрорежущей стали – 30-40 м/мин.
Угол резания резцов 85-90°; при обдирочных работах этот угол может быть 85°.

Величина заднего угла резца не должна превышать 10-12°; лишь при обдирке можно его увеличивать до 15°. Вершину резца закругляют, причем радиус закругления должен быть 3-4 мм. Угол наклона режущей кромки 4-5°.

При обработке органического стекла применяют алмазные резцы. Алмазное точение деталей из органического стекла позволяет получить обработанные поверхности прозрачными. Кроме того, алмазное точение позволяет повысить производительность труда по сравнению с точением быстрорежущими резцами.

При точении термопластичных материалов целесообразно охлаждение эмульсией или водой зоны резания, а при точении термореактивных материалов — сжатым воздухом.При обработке полистирола, во избежание образования трещин при перегреве, иногда применяют охлаждение мыльным раствором

Для фрезерования термопластов рекомендуется применять фрезы из углеродистой инструментальной стали, а для реактопластов — фрезы из быстрорежущей стали и фрезы, оснащенные пластинками твердого сплава.

Сверление пластмасс выполняют на быстроходных металлообрабатывающих станках. Для сверления пластмасс рекомендуются стандартные спиральные и перовые сверла, применяемые для обработки металла, с особой геометрией заточки.Перовые сверла применяют для сверления неглубоких отверстий, к точности и качеству которых не предъявляется высоких требований, а также для сверления отверстий малого диаметра. Спиральные сверла позволяют получить более чистые поверхности отверстия и обеспечивают необходимую при сверлении точность. Отверстия глубиной более 10 … 15 мм рекомендуется сверлить в два приема: сначала сверлом диаметром 5 … 6 мм, а затем сверлом нужного диаметра.

При сверлении отверстий в тонкостенных деталях, трубках листах, изготовленных из пластмасс всех видов, рекомендуется, применять сверла с углом при вершине 2φ 55—60°. При других значениях этого угла возможно окрашивание пластмасс. Сверление отверстий в пластмассовых листах большой толщины выполняют сверлами с углом при вершине 2ф 90°, с широкими тщательно полированными канавками и узкой направляющей ленточкой с хромированным слоем толщиной 0,003—0,005 мм. Для отверстия глубиной более 3 диаметров, а также для сверления глухих отверстий необходимы сверла с крутой канавкой 40° с подточкой, как для стандартных сверл, обеспечивающих лучший выход стружки. Во избежание сильного прижога или разогрева пластмасс при сверлении глубоких отверстий инструмент нужно периодически вынимать для охлаждения. Наименьший нагрев пластмассовой детали и хороший отвод стружки, особенно при сверлении термопластов, достигается при углах наклона канавки 15—17°. При сверлении твердого ПВХ нельзя пользоваться острым инструментом.

Нарезание резьбы. Внутреннюю и наружную резьбу нарезают как в пластмассовых заготовках (листовых, стержневых, блочных), так и в готовых деталях, изготовленных литьем или прессованием, после суточной выдержки их при комнатной температуре. Наружную резьбу урезают плашками, фрезами, резцами; внутренние резьбы — азотированными или хромированными метчиками. В отверстиях под резьбу делается фаска шириной 1,5 мм. При нарезании резьбы метчиками 1 или плашками рекомендуется их вывинчивать периодически и очищать от струЛки. Следует применять комплект из двух или трех метчиков, а т <же метчики, нарезанные через шаг. Для получения чистой и гладкой ре^обы необходимо резьбовой инструмент смазывать маслом. Во избежание скалывания материала и появления трещин резьбу лучше нарезать вручную. В деталях и заготовках из термопластов (полиэтилена, пластифицированных пластмасс, винипласта, полиамидов и т. п.) резьбу нарезать резцом, так как при нарезании резьбы метчиками или плашками возможно искажение размеров и профиля резьбы.Геометрия резьбонарезного инструмента для пластмасс резко отличается от геометрии инструмента для нарезания резьбы на металле. Во избежание защемления инструмента необходимо делать большой задний угол и отрицательный передний, величина которого зависит от шага резьбы, диаметра и колеблется от —5° до —10°. Скорость резания при этом должна составлять 12—20 м/мин. Размер метчиков по диаметру должен быть больше диаметра требуемой резьбы на 0,05— 0,1 мм для волокнистых и на 0,04—0,05 мм для порошковых пластмасс, так как при нарезании резьбы происходит усадка отверстий на 0,05— 0,1 мм. Глубина резания принимается не более 0,1—0,2 мм. Скорость резания на станках с ручной подачей должна составлять около 100 м/мин, а на резьбонарезных автоматах 300 м/мин. Наружную и внутреннюю резьбы большого и среднего диаметров рекомендуется нарезать на токарно-винторезных, резьбошлифовальных и резьбофрезерных станках. Режимы резания на токарно-винторезных станках аналогичны режимам резания, принятым для деталей из латуни и стали. Нарезать резьбу в деталях из слоистых пластиков (гетинакса, текстолита) параллельно слоям не следует во избежание расслаивания пластмассы. При нарезании резьбы из стекловолокнита АГ-4 следует применять метчики с шахматным расположением ниток.Скорость резьбонарезания деталей из оргстекла должна быть приблизительно на 20% ниже скорости, применяемой в этих же целях для материалов типа латуни. Резьбу больших размеров (более 5 мм) следует нарезать с применением мыльного раствора, малых размеров — без смазки.

Шлифование. Для шлифования изделий из пластмасс можно применять станки с вращающимся абразивным инструментом, ленточные шлифовальные станки с бесконечными наждачными лентами, расположенными горизонтально или вертикально; станки с дисками, на которые наклеено наждачное полотно (диски могут быть расположены горизонтально или вертикально).

Полирование пластмасс следует производить на односторонних или двухсторонних горизонтальных полировальных станках. Для непродолжительного полирования полировальные шайбы устанавливают также на валу электродвигателя, на шпинделе сверлильного станка и т. д.Для полирования деталей из термореактивных пластмасс частота вращения полировальной шайбы устанавливается 1500—2000 об/мин, для деталей из термопластичны^ материалов— 1000—1500 об/мин. Для предварительного полирования применяют твердые полировальные круги хлопчатобумажные, байковые, суконные с хордовой или спиральной прошивкой. Для окончательного полирования применяют легкие непрошитые круги из бязи или байки. Предварительное полирование производится «мокрым» и «сухим» способом. «Мокрое» полирование применяется для деталей из термопластичных материалов. В состав полировальных композиций включают преимущественно трепел и пемзу двух сортов 1/2, 11/2, которые замешивают в равных количествах до консистенции густой пасты, и ею покрывают рабочую поверхность полировальных кругов. После «мокрого» полирования детали очищают от пемзы и окончательно полируют. При «сухом» полировании в полировальную композицию входят карборунд, корунд, трепел, оксид хрома в определенных количественных соотношениях с маслами, олеиновой кислотой, парафином, церезином, пчелиным воском.

Для полирования деталей из термореактивных пластмасс пригодна любая композиция. Рецептура полировальных композиций принимается с учетом качества полируемой поверхности и требований, предъявляемых к чистоте и качеству изделия после полирования.Если полирование производится для снятия грубых следов предыдущей обработки на поверхности деталей из термореактивных пластмасс, для образования пасты применяется карборунд № 250—300, при окончательном полировании содержание карборунда в пасте уменьшается и применяется более мелкое зерно № 300 и выше.

 

Тонкие листовые пластмассы разрезают ручными ножницами, предназначенными для листового металла. Более рационально применять для этой цели гильотинные ножницы с механическим приводом, используемые для резки металла. Зазор между лезвиями ножниц не должен превышать 0,1—0,2 мм. Задний угол режущей кромки ножа гильотинных ножниц должен составлять 30°.

Пенопласты на основе полистирола (ПС-1, ПС-2 и др.) можно разрезать накаленной нихромовой проволокой с сечением не менее 0,5 мм, натянутой в специальных захватах. Напряжение подбирается в зависимости от сечения проволоки, но не более 36 В.

Разрезка. Многие пластмассы поставляются в виде листов. Толщина листа может быть от 0,5 до 70 мм. Разрезка листов на штучные заготовки и обрезка их по контуру осуществляются ленточными и дисковыми пилами, дисковыми фрезами и отрезными абразивными и алмазными кругами.

Ленточные пилы позволяют получить из листа детали фасонного профиля, а также разрезать круглые стержни и трубы. При разрезке листов толщиной до 2 мм применяют пилы без развода зубьев. Пилы изготовляют из углеродистых и быстрорежущих сталей.

Листы из термореактивных пластмасс типа гетинакса и текстолита разрезают дисковыми пилами, изготовленными из легированной стали 9ХФ, и сегментными фрезами из быстрорежущей стали.

Листы из текстолита и гетинакса толщиной до 25 мм разрезают абразивными кругами. Применяют электрокорундовые круги диаметром до 250 мм, толщиной 2—3 мм, на бакелитовой или вулканитовой связке с твердостью СМ1-СТ1, зернистостью 40—80, с открытой структурой. Разрезка абразивными кругами обеспечивает высокое качество обработанных поверхностей. Листы толщиной до 8 мм иногда разрезают алмазными отрезными кругами, что дает повышение производительности труда.