Механическая обработка акрилового стекла и поликарбоната
Обработка резанием
Для обработки акрилового стекла и поликарбоната подходит обыкновенное оборудование для обработки дерева и металлов. Все же следует обратить внимание на то, что для получения чистых поверхностей среза оборудование должно быть высокоскоростным и безвибрационным. Все машины, прежде всего шлифовальные станки и циркулярные пилы, должны быть оснащены вытяжной вентиляцией для отвода стружки и газа.
ПММА и ПК легко обрабатываются инструментами из высококачественной быстрорежущей стали или армированными твердыми сплавами, в особых случаях можно использовать алмазный инструмент. Рабочие режущие поверхности инструментов должны быть всегда остро заточены. Уже незначительно изношенные инструменты приводят к нечистым поверхностям среза и могут вызывать повреждения заготовки или самого инструмента вследствие перегрева, обусловленного повышенным трением. Инструменты, которые ранее уже применялись для обработки дерева или металла, для органических стекол могут использоваться только после специальной заточки.
Поскольку пластмассы по сравнению с металлами имеют незначительную теплопроводность и устойчивость формы, применение систем охлаждения особенно важно. При отсутствии охлаждения возникает опасность перегрева, размягчения и деформации материала у поверхности среза. Кроме того, из-за недостаточного отвода тепла возникают напряжения в краевых зонах, что при неблагоприятных условиях ведет к повреждению обработанной детали.
Вода, масла, парафин и воздушная струя подходят в качестве охлаждающих средств. Стандартные смазочно-охлаждающие жидкости для металлов не должны использоваться, т. к. они чаще всего содержат агрессивные по отношению к ПММА и ПК растворители.
Поверхности листов обычно защищены полиэтиленовой пленкой, которую необходимо сохранять до завершения механической обработки и удалять в кратчайшие сроки после завершения монтажа готового изделия. Если по какой-либо причине сохранение пленки невозможно или она отсутствует, следует в качестве вспомогательного средства использовать ткань или фетровые прокладки во избежание непреднамеренного царапанья.
Разметка отверстий, кромки разреза или контуров должна по возможности производиться на защитной пленке. Если пленка уже удалена, разметка осуществляется специальным карандашом прямо на поверхности листа. Другие средства разметки могут использоваться только при уверенности, что последующая обработка удалит следы этих инструментов. В противном случае листы с сохранившимся надрезом под нагрузкой сломаются.
Пиление и надрезание
Акриловое стекло и поликарбонат чаще всего пилят циркулярной или ленточной пилами. Применение лобзиков и ручных пил также возможно.
Циркулярная пила
Для резки ПММА и ПК подходят циркулярные пилы с дисками исключительно с неразведенными зубьями. Применение лезвий из твердого сплава, с большим числом зубьев дает значительно более высокий результат, чем использование лезвий из высокопроизводительной быстрорежущей стали. Из опыта известно, что обработка будет еще более чистой, если использовать прямозубое лезвие из твердого сплава, углы каждого или каждого второго зуба которого затачиваются попеременно. Попеременная вогнутая заточка зубьев лезвий из быстрорежущей стали на деле доказала свои преимущества.
Таблица 1. Характеристики лезвий из твердого сплава
| Характеристики | Экструдированный ПММА | Литой ПММА | ПК |
| Угол наклона затылочной поверхности α | 15° - 20°
| 15° - 20°
| 15° - 20°
|
| Угол внутренней выточки γ | 0° - 5° | 0° - 5° | 0° - 5° |
| Скорость резания | 3000 м/мин.
| 3000 м/мин.
| 3000 – 4500 м/мин. |
| Шаг зубьев | 0 – 20 мм | 5 – 8 мм | 9 – 15 мм |
Для подачи должна применяться средняя установка. Это значит, что подача устанавливается так, чтобы у краев разреза не происходило отщепление материала. Слишком медленная подача может привести к значительному трению и излишнему нагреву кромок разреза.
Ленточная пила
Ленточная пила снабжена лезвиями со слегка разведенными зубьями. Это ведет к неровным кромкам разреза, что, как правило, требует последующей дополнительной обработки. Ширина ленты лезвия может быть от 3 до 13 мм. Количество зубьев должно быть 3 – 8 на каждый сантиметр длины ленты. Скорость резания может варьироваться от 1000 до 3000 м/мин.
Таблица 2. Характеристики лезвий из твердого сплава
| Угол наклона затылочной поверхности α | 30° – 40° |
| Угол внутренней выточки γ | 0° - 8° |
| Скорость резания | 1000 – 3000 м/мин. |
| Шаг зубьев | 3 – 8 мм |
Остроконечная пила
Для дополнительной обработки пластмасс и вырезания выемок и пазов хорошо себя зарекомендовала остроконечная пила. Кромки разреза получаются все же относительно грубыми и нуждаются в дополнительной обработке. Рекомендуется высокая скорость резания и средняя скорость подачи.
Ручная пила
Акриловое стекло и поликарбонат можно также обрабатывать мелкозубой ручной пилой - ножовкой и лучковой, а также лобзиком. При тщательной аккуратной работе возможно достичь хороших результатов.
Надрезание
На листах ПММА до 3 мм можно делать надрезы. Лист многократно надрезается подрезателем вдоль линейки или криволинейного шаблона по не слишком малому радиусу, а затем ломается. Прямые отрезки можно легко сломать на краю стола. Излом должен быть соответствующим образом обработан, например циклей.
Сверление
Для акрилового стекла можно применять спиральное сверло с двойным углом в плане (при вершине) 60° - 90° (в отличии от обычного 120°). Передний угол γ должен затачиваться в пределах от 4° до 90°. Только в этом случае сверло даст необходимый результат, и можно будет избежать выламываний около отверстий при выходе сверла из листа. Задний угол α должен быть величиной мин. 3°.
Таблица 3. Рекомендуемые параметры сверления
| Характеристики | ПММА | ПК |
| Задний угол α | 3° – 8° | 5° – 8° |
| Передний угол γ | 0° – 4° | 3° - 5° |
| Угол заточки | 12° – 16° | ок. 30° |
| Скорость | 10 – 60 м/мин. | 10 – 60 м/мин. |
| Подача | 0,1 – 0,5 мм/об. | 0,1 – 0,5 мм/об. |
Чтобы получить гладкую поверхность края отверстия, необходима оптимальная комбинация скорости резания и подачи. В этом случае образуется равномерная сплошная стружка. При слишком высокой скорости вращения и/или слишком быстрой подаче образуется нерегулярная стружка, и отверстие не будет чистым. При низкой скорости вращения и/или медленной подаче наступает перегрев, влекущий за собой разрушение материала и плавление стружки.
Охлаждение при сверлении особенно важно. При толщине материала от 5 мм необходимо пользоваться сверлильной или совместимой с ПММА смазочно-охлаждающей эмульсией. Для ПК (из-за возможного растрескивания) никогда нельзя использовать сверлильные эмульсии и масло для смазки и охлаждения режущего инструмента. В этом случае можно использовать сжатый воздух. Если в толстостенном материале сверлятся глубокие отверстия и подача регулируется вручную, рекомендуется время от времени вынимать сверло из отверстия во избежание перегрева.
Если сверлится тонкий лист, необходимо подложить твердую гладкую прокладку, чтобы избежать выламывания нижнего края отверстия. Сверло должно вводится медленно и осторожно. После входа в материал скорость подачи может быть постепенно увеличена и незадолго до пробивания нижнего края снова уменьшена.
Для работы с обрабатываемыми или встроенными деталями с помощью ручной дрели можно применить специальное сверло.
Специальные сверла и зенкерный инструмент
Ступенчатое сверло
Это врезное сверло гарантирует чистое и гладкое цилиндрическое отверстие. Каждой последующей сверлильной ступенью отверстие расширяется.
Коническое сверло
Дает слегка конические отверстия, но выламывание отверстия у выхода предотвращается.
Зенкерный инструмент
Особенно подходит для зачистки имеющихся отверстий, обеспечивая качественный отвод стружки с помощью наклонного отверстия.
Фрезерное сверло
Им можно получить простые глубокие отверстия.
Комбинированное сверло-зенковка
Этот многофункциональный зенкерный инструмент рекомендуется для зачистки, расточки и зенковки.
При применении любых специальных сверл следует обращать внимание на безупречное качество их острия. Во всех случаях (кроме фрезерного сверла) используются более низкие скорости вращения, чем при использовании спиральных сверл. В случае применения фрезерного сверла, напротив, скорости вращения часто превышают 10 000 об./мин.
Прорезание круглого отверстия
Отверстия большого диаметра в тонком листе можно легко прорезать следующим инструментом:
- эксцентриковым резаком;
- круглой пилой.
Для прорезания круглого отверстия можно использовать инструменты в стандартном исполнении.
Передние углы эксцентрикового резака для ПММА должны иметь значение 0°, для ПК – между 3° и 5°. Для получения чистых поверхностей среза полезно закрепить с нижней стороны материала тонкую твердую пластину. Прорезать круглое отверстие до 60 мм в диаметре можно с помощью специальной насадки, устанавливаемой в дрель. Центр круглого отверстия предварительно сверлится центровым сверлом для обеспечения стабильности прорезания отверстия.
Нарезание резьбы
Для всех видов пластиков при нарезании резьбы существует опасность разлома вследствие наличия надреза. Поэтому этот способ закрепления должен выбираться только в случае, когда другой альтернативы нет.
Для нарезки внутренней и внешней резьбы для всех материалов подойдут метчик и плашка. Из-за чувствительности материалов к надрезу, резьбы не должны быть с острыми краями. При нарезании резьбы в поликарбонате для смазки и охлаждения режущего инструмента недопустимо применение смазочных и охлаждающих масел. Для акрилового стекла должны применяться совместимые с материалом эмульсии и масло для смазки и охлаждения режущего инструмента. При последующем привинчивании следует обращать внимание на то, чтобы винты не имели масляной пленки.
Отверстия должны быть незначительно больше, чем для стали. Во многих случаях полезно усилить внутреннюю резьбу с помощью резьбовой вставки из металла.
Фрезерование
С помощью фрезерного оборудования можно обработать края распила, сделать закругления, создать криволинейные контуры и снять кромку с формованной детали. Кроме того, фрезерованием можно удалить фланцы. При фрезеровании в противоположность пилению нет опасности выламывания нижнего края разреза, что уменьшает затраты на дополнительную обработку.
Для ПММА и ПК можно применять стандартные фрезерные станки по возможности с наиболее высокой скоростью резания (таблица 4). В качестве инструментов обычно применяются многолезвийные цилиндрические фрезы и крупнозубые двухлезвийные или даже врезные концевые фрезы, качественно удаляющие стружку.
Таблица 4. Рекомендуемые параметры фрезерования
| Характеристики | ПММА | ПК |
| Задний угол α | 2° - 10° | 5° - 10° |
| Передний угол γ | 0° - 5°
| до 10° |
| Скорость | 1000 – 2000 м/мин.
| 1000 – 2000 м/мин.
|
| Подача | до 0,5 мм/об. | до 0,5 мм/об. |
В обычном случае при фрезеровании акриловое стекло не нужно охлаждать. При применении многолезвийного инструмента большого диаметра охлаждение полезно, а при применении цилиндрических фрез – необходимо. Можно применять совместимые с ПММА эмульсии или масла для смазки и охлаждения режущего инструмента. Поликарбонат охлаждается сжатым воздухом.
Токарная обработка
Акриловое стекло и поликарбонат можно обрабатывать на токарном станке подобно твердому дереву. Применяются также обыкновенные металлообрабатывающие токарные станки. Скорости обработки также должны быть высоки. Как ориентировочное значение действует следующее: скорость резания в десять раз выше, чем для стали. Для безупречного результата заточка резца имеет решающее значение. Особое внимание должно быть уделено переднему углу γ (таблица 5). Подобно тому, как при соблюдении условий сверления образуется непрерывная стружка, в процессе токарной обработки это также является определяющим фактором качества осуществляемого процесса. На это оказывают влияние скорость подачи, обработки и заточка инструмента.
Таблица 5. Рекомендуемые параметры токарной обработки
| Характеристики | ПММА | ПК |
| Задний угол α | 5° - 10° | 5° - 10° |
| Передний угол γ | 0° - (-4)° | 0° - 5°
0° - 10°
|
Угол установки (угол режущего инструмента в плане)
| 15° - 45° | 45° - 60° |
| Скорость | 200 – 300 м/мин. | 200 – 300 м/мин. |
| Подача | 0,1 – 0,5 мм/об. | 0,1 – 0,5 мм/об. |
| Глубина резания | до 6 мм | до 6 мм |
Токарные резцы с поверхностью из твердого сплава хорошо подходят для грубой черновой обработки, глубина резания не должна превышать 6 мм. Для последующей чистовой обработки обычно используются инструменты из быстрорежущей стали.
Резцы должны быть с радиусом вершины не менее 0,5 мм. При еще больших радиусах вершины, т. е. при круглозаточенных резцах, одновременно с этим высокой скорости обработки, незначительной подаче и минимальной глубине резания обработанная начисто поверхность может без промежуточного шлифования сразу подвергаться полировке. Для охлаждения в данном случае также может применяться совместимая с акриловым стеклом эмульсия, а для поликарбоната – сжатый воздух.
Шлифование
С помощью шлифования и последующей полировки можно из шершавых и матовых кромок разреза получить высокоглянцевую прозрачную поверхность. Шлифование может осуществляться как вручную стандартной шлифовальной бумагой, так и машинным способом. Для машинного способа подходят вращающийся тарельчатый шлифовальный круг, качающийся шлифовальный или ленточно-шлифовальный станки. Сильного и длительного надавливания при шлифовании следует избегать, т. к. возникающее от трения тепло вызывает напряжения и повреждения поверхности. По этой же причине шлифование всегда должно осуществляться влажным способом.
В зависимости от глубины следов обработки или царапин на поверхности детали выбирается степень грануляции шлифовального средства. Чем глубже след обработки, тем грубее грануляция. Шлифование всегда должно осуществляться в несколько этапов со все более тонкой грануляцией.
Рекомендуется способ в три ступени:
• Грубо – грануляция 60
• Средне – грануляция 220
• Тонко – грануляция 400 – 600
При этом следует следить за тем, чтобы на каждой стадии были полностью удалены остатки предыдущей. Когда на завершающем этапе будут устранены все следы предшествующих, можно приступать к полированию.
Для поликарбоната можно применять мягкие керамические карборундовые шлифовальные круги, пластинчатые круги, контактные абразивные ленты и шлифовальную бумагу тонкой грануляции.
Полирование
Полирование – последняя стадия обработки для получения высокоглянцевой прозрачной поверхности. Кромки разреза отполировать легко, но полирования больших поверхностей следует избегать, т. к. идеально выполнить эту операцию очень трудно, и чаще всего следы окончательной обработки остаются заметными. Обычно для полирования применяются мази и пасты. После обработки следы полировальных средств необходимо тщательно удалить, споласкивая водой.
Машинное полирование осуществляется тремя методами:
• с помощью ленты, тканевого круга или сукна
• пламенем
• алмазосодержащими средствами
Первый способ
Поскольку войлок, тканевый круг и замша являются очень мягкими материалами, полируемые поверхности должны быть заранее обработаны начисто. В противном случае после полирования поверхность хоть и станет блестящей, все же оставшиеся царапины и внешние повреждения останутся заметными. При обработке краев подготовка к полированию производится циклей. Следует избегать обусловленного трением перегрева поверхности, провоцирующего термические повреждения.
Края и детали малого размера полируются преимущественно с помощью войлочных лент. Их легко закреплять и перемещать. Заготовка должна быть в постоянном вращении, чтобы неровности войлочных лент или тканевого круга не приводили к браку. Оптимальная скорость движения войлочной ленты – около 20 м/сек.
Тканевые круги наилучшим образом подходят для полирования больших криволинейных поверхностей. Подобные круги представляют собой пакеты материала (фланели, например), в которых слои ткани расположены как можно менее плотно, чтобы создать возможность отвода тепла трения с помощью вентиляции. Скорость перемещения по наружному диаметру полировального круга должна быть между 20 и 40 м/сек. Если достигнутый машинной обработкой глянец недостаточен, можно дополнительно дополировать поверхность вручную мягкой, не оставляющей ворса тканью или ватой с применением полировальной эмульсии.
Второй способ
При полировании акрилового стекла пламенем сварочной горелки, например, несмотря на то, что чистовая обработка не осуществляется, края тем не менее должны быть освобождены от остатков предыдущих обработок и прилипшей стружки. Поскольку следы предшествующих фрезерования или пиления после огневой обработки еще видны, этот экономически выгодный способ годится только в тех случаях, когда к полируемой поверхности не предъявляются высокие требования. Полирование пламенем толстых деталей может вызвать высокие поверхностные напряжения. Неаккуратная работа может привести к попаданию пламени на поверхность заготовки за кромкой разреза и к связанным с этим термически обусловленным напряжениям в материале. При дальнейшей обработке или при последующем применении они могут вызвать образование трещин, если материал окажется в контакте с растворителями или чистящими средствами.
Третий способ
Алмазное полирование подходит для осуществления серийных работ. При использовании этого метода нет необходимости в предшествующей чистовой обработке. Резание и полирование осуществляются в ходе одной операции. Для данного способа используются высококачественные прецизионные инструменты и оборудование. Это могут быть фрезерные ножевые головки с минимум двумя алмазами в режущем инструменте либо оснащенные алмазным режущим элементом резцы. Следует обращать внимание на качественное удаление стружки. Оборудование должно работать без вибраций во избежание появления дефектов на поверхности детали. При полировании алмазом возникают острые края, которые целесообразно снять циклей.
Таблица 6. Результаты отдельных методов полирования
| Метод | тканевый круг и фетровая лента | полирование пламенем | полирование алмазным инструментом |
| Качество обработанной поверхности | очень хорошее | среднее | от хорошего до очень хорошего |
| Напряжения | средние | очень высокие | средние |
| Затраты времени | от высоких до очень высоких | низкие | низкие |
| Капиталовложения | средние | высокие | очень высокие |
Для поликарбоната полирование поверхности достаточно проблематично, только обработка пламенем имеет смысл.
Татьяна Дементьева
инженер-технолог
