Выделение ниши в обработке пластмасс с ЧПУ

Обработка пластмасс сопряжена с трудностями с точки зрения инструментов, закрепление и управление стружкой (и пылью). (Фото предоставлено K&E Plastics.)

Хотя у нишевой мастерской с ЧПУ есть свои преимущества, могут быть и определенные проблемы. Показательным примером является компания K&E Plastics в Беннингтоне, штат Вермонт.

Как следует из названия контрактной мастерской, она специализируется исключительно на обработке инженерных пластиков — как термопластов, так и реактопластов — и занимается этим с тех пор, как Питер Бродерсон основал K&E в 1966 году. Его сын Эрик сейчас является президентом компании.

Поскольку не так уж много мастерских специализируются на обработке пластмасс, в том числе таких реактопластов, как G7 и G10, наполненных абразивным стеклом, конкуренция меньше по сравнению с теми, которые обрабатывают алюминий, сталь и другие обычные металлы. Однако незнание пластиков поставщиками оборудования и инструментов привело к тому, что K&E иногда предоставлялась самой себе в разработке стратегий эффективной обработки этих материалов.

Я узнал о некоторых из этих проблем, когда посетил K&E в 2013 году, чтобы написать свой первый рассказ о магазине. Необходимость сбора пыли. Трудности фиксации пластиков. Проблемы с инструментами, возникающие при обработке стеклонаполненных термореактивных материалов. Список можно продолжить…

Хотя я не смог физически повторно посетить K&E для этой истории, я очень ценю возможность снова подключиться и услышать о том, какие новые технологии и процессы были добавлены в цех, чтобы стать более способным и эффективным в обработке пластмасс. Это включает в себя новый взгляд на оснастку и заготовку, а также добавление своего первого токарного станка швейцарского типа для достижения более жестких допусков и более быстрого производства сложных деталей из термопластов, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK), которые ранее работали на традиционных токарных станках с многоручным инструментом. Эта машина также позволила магазину вернуть работу, ранее отданную на аутсорсинг, собственными силами.

Новые возможности, новые подходы

Первоначально K&E сосредоточилась на пластиковых деталях исключительно для электрических применений, учитывая отличные электроизоляционные свойства материалов (см. врезку ниже). Когда 27 лет назад Бродерсон принял управление бизнесом от своего отца, он стремился диверсифицировать компанию, занимаясь неэлектрическими приложениями в медицинской и аэрокосмической промышленности. Сегодня он также использует возможности новых энергетических технологий, таких как электромобили, топливные элементы и накопители энергии. Магазин сертифицирован по ISO 9001:2015, имеет регистрацию в соответствии с Международными правилами торговли оружием (ITAR) и сертифицирован в рамках Совместной программы сертификации (JCP), что позволяет ему выигрывать секретные оборонные работы. Он также имеет сертификацию в рамках программы Исторически малоиспользуемые бизнес-зоны (HUBZone), которая помогает малым предприятиям в городских и сельских районах получить льготный доступ к возможностям федеральных закупок.

K&E обрабатывает только пластмассы (включая термопласты и реактопласты) ) для электротехнической, аэрокосмической и медицинской промышленности. Компания также видит возможности в новых источниках энергии, таких как топливные элементы, электромобили и накопители энергии.

Помещения магазина площадью 30 000 квадратных футов включают в себя ряд фрезерных станков с ЧПУ, VMC и токарных станков — всего 28. Большинство из них — модели Haas Automation. Токарный станок швейцарского типа, который компания приобрела в 2018 году, представляет собой модель Tsugami S205 (подробнее об этом позже). В зависимости от материала они могут обрабатывать детали с использованием охлаждающей жидкости или сушить их с помощью пистолетов с холодным воздухом для охлаждения операций резки и облегчения удаления стружки.

Охлаждающие жидкости иногда используются для ненаполненных термопластов. Нельзя использовать охлаждающие жидкости на масляной основе, потому что они часто портят пластик. Вместо этого K&E использует охлаждающие жидкости на водной основе, такие как Trim Microsol 585XT от Master Fluid Solutions. Говорят, что это полусинтетическая микроэмульсионная охлаждающая жидкость с высокой смазывающей способностью, обеспечивающая более длительный срок службы поддона и лучший контроль пенообразования по сравнению с полусинтетикой предыдущего поколения.

Магазин K&E отличается наличием воздуховодов подключение оборудования для сушки пластмасс к одной из двух центральных систем сбора пыли.

Однако многие реактопласты обрабатываются всухую. Эти материалы часто наполнены стеклом или другими абразивными материалами, которые при механической обработке создают пыль. Эффективный сбор пыли необходим для поддержания чистоты рабочей среды и продления срока службы станка. На самом деле воздуховоды, используемые для сбора пыли, придают магазину особый вид.

Воздуховоды направляются к рабочей зоне каждого оборудования, которое сушит пластмассовые детали. Недавно в цехе была установлена ​​вторая система пылеулавливания производительностью 18 000 кубических футов в минуту, что позволяет добавить еще 12 обрабатывающих центров для сушки деталей машин.

Машина недавно установила вторую 18 000 куб. система сбора пыли, которая позволяет добавить еще 12 обрабатывающих центров для сухой обработки пластмасс.

Высокая температура является большой проблемой при обработке любого пластика. Пригорание материала возможно, если инструменты работают слишком быстро. Кроме того, без эффективной эвакуации стружки обработанный материал может снова привариться к заготовке. Геометрия канавки инструмента играет ключевую роль в удалении стружки с заготовки, как и струи холодного воздуха. Однако термореактивные ламинаты, такие как G7 и G10, также склонны к расслаиванию в зависимости от силы сцепления смолы и способа механической обработки деталей.

Термопластики обычно обрабатываются с использованием охлаждающих жидкостей на водной основе. . Охлаждающие жидкости на нефтяной основе могут повредить пластик.

В магазине недавно начали использовать режущие инструменты Datron Dynamics. Одним из примеров является полированная твердосплавная концевая фреза диаметром 6 мм с одной канавкой. По данным компании, многоэтапный процесс шлифования обеспечивает острые полированные кромки для обработки без заусенцев, что снижает или устраняет необходимость ручной обработки деталей.

Другой вариант — твердосплавные концевые фрезы с аморфным алмазным покрытием для композитов от Harvey Tool. Считается, что они хорошо подходят для черновой и получистовой обработки композитных материалов с высокой концентрацией волокон или наполнителя, таких как G10 и FR4, благодаря оптимизированной геометрии со стружколомами, которые эффективно срезают волокна и укорачивают стружку для лучшего удаления стружки.

Кроме того, K&E теперь использует ружейные сверла Sterling, когда требуется многократное выполнение точных глубоких отверстий с качественной поверхностью.

Цех также приступает к стандартизации системы крепления инструмента PowRgrip от Rego-Fix для своих обрабатывающих центров. Причина в том, что обычные системы державок приводили к биению до 0,002 дюйма, что было неприемлемо для деталей с очень жесткими допусками. «Теперь мы достигли биения в 4 десятых, — говорит Бродерсон, — что дает нам лучшее качество поверхности и меньший износ инструмента при соблюдении необходимых допусков на обработку».

Цех приступил к стандартизации систем крепления инструмента в которые гидравлический пресс вставляет или извлекает цанги из держателей. Каждая цанга имеет неглубокий самоблокирующийся конус и запрессовывается в державку с усилием 9 тонн. Бродерсон говорит, что эти держатели обеспечивают лучшее биение и жесткость по сравнению с традиционными моделями.

Эта система состоит из прецизионных цанговых держателей и настольного гидравлического пресса, используемого для вставки или удаления цанг из держателей. Цанга имеет неглубокий самоблокирующийся конус и запрессовывается в державку с усилием 9 тонн. Он также имеет квадратный буртик, который контактирует с резцедержателем при вдавливании. Эта конструкция упора позволяет использовать встроенный опорный винт для точной установки длины инструмента. Эти державки отличаются высоким усилием зажима и гашением вибраций, а общее индикаторное биение (TIR) ​​составляет ≤ 3 микрона при соотношении длины к диаметру 3:1. Rego-Fix заявляет, что эта система крепления инструмента также обеспечивает более быструю и безопасную смену инструмента, чем системы с горячей посадкой. Говорят, что сборка нового инструмента занимает менее 10 секунд. «На данный момент в нашем магазине около 800 таких держателей, но мы продолжаем добавлять новые, — говорит Бродерсон.

Для закрепления на некоторых станках используются вакуумные патроны, чтобы ускорить переналадку и обеспечить доступ инструментов к пяти сторонам детали. Точно так же K&E начала использовать обычные фундаментные плиты с тисками Chick. Бродерсон говорит, что, поскольку тиски Chick обеспечивают лучшую воспроизводимость позиционирования, а пластины устанавливаются в одном и том же месте, контроль во время настройки не требуется по сравнению с тем, когда цех просто прикручивал тиски к столам станка. Магазин также сохраняет и хранит губки тисков для использования при повторении заданий.

Чтобы увеличить время безотказной работы шпинделя для этого VMC, K&E добавлена ​​​​система смены поддонов, поэтому задания можно настраивать в автономном режиме, пока другое все еще выполняется на машине. То же самое было сделано для двух других VMC.

Чтобы максимизировать время безотказной работы шпинделя для трех своих VMC, K&E добавила устройство смены паллет Midaco к каждому из них. Это позволяет каждой машине продолжать выполнение задания, пока новый материал закрепляется на поддоне снаружи машины. Как только задание выполнено, его поддон выезжает, а новый поддон со следующим заданным заданием подвозится.

Зачем добавлять швейцарский шрифт?

Бродерсон говорит, что до того, как пару лет назад добавить S205, K&E передавала работу мастерским по производству винтовых станков для отдельных видов работ. Со временем объем этой работы, переданной на аутсорсинг, продолжал увеличиваться. Кроме того, количество брака или брака для работ с жесткими допусками, которые выполнялись на некоторых токарных станках, иногда было выше, чем хотелось бы. Мастерская определила, что швейцарский тип с фирменной конструкцией направляющей втулки и многофункциональными возможностями обеспечит требуемую точность и позволит мастерской выполнять эту работу самостоятельно.

Машина Tsugami S205 с диаметром прутка 20 мм и устройством подачи прутка Edge Technologies Minuteman 320 SE была приобретена через дистрибьютора Tsugami/REM Sales, компанию Robert E. Morris. Джон Рикарди, менеджер по работе с клиентами компании, говорит, что станок включал в себя систему подачи охлаждающей жидкости под давлением 1000 фунтов на квадратный дюйм (в основном для контроля стружки), а также устройство для сбора тумана, конвейер для стружки, специальный желоб для приема длинных деталей из противошпинделя и преобразование трансформируемого патрона в патрон. возможности.

Податчик прутка вмещает 10 футов длиной прутки позволяют первому в магазине швейцарскому станку работать без присмотра в течение более длительного времени, чем устройства подачи прутка на токарных станках группового типа, которые обрабатывают прутки длиной 4 фута.

Возможно, самым большим преимуществом этого станка является то, что он предназначен для работы с охлаждающей жидкостью на водной основе, чтобы не разрушать пластиковые детали, как это произошло бы с охлаждающей жидкостью на масляной основе. Рикарди говорит, что положительное давление воздуха для оснастки и шпинделей предотвращает попадание охлаждающей жидкости в подшипники и вымывание их смазочного масла. Кроме того, смазка на водной основе также используется в наборах каналов подачи прутка.

Швейцарский тип используется для деталей, требующих очень жестких допусков. Бродерсон говорит, что давление инструмента может привести к образованию конусов при обработке пластиковых деталей на обычных токарных станках. Фирменная направляющая втулка швейцарского типа обеспечивает поддержку на срезе, чтобы устранить эту проблему. Кроме того, машина очень хорошо повторяет, говорит он. После того, как процесс запущен, больше не нужно резать, измерять и повторять процесс. Кроме того, устройство подачи прутка может работать с прутками длиной 12 футов. K&E обычно использует прутки длиной 10 футов, что позволяет выполнять более длительную обработку без участия оператора по сравнению с обычными токарными станками с четырехфутовыми устройствами подачи прутка. Для таких материалов, как PEEK, обычно заказывают прутковый материал, отшлифованный до +0,002 дюйма / -0 дюймов.

Токарный станок швейцарского типа, работающий на Охлаждающая жидкость на водной основе, как говорят, обеспечивает более жесткие допуски и улучшает производство термопластичных деталей, которые ранее производились на традиционных токарных станках с ЧПУ. Эта машина также позволила магазину вернуть работу, ранее отданную на аутсорсинг, собственными силами.

Тем не менее, мастерская может снять направляющую втулку и использовать станок как обычный токарный станок с зажимным патроном, выполняя работу с тем же подходом к обработке, что и на стандартном токарном станке.

Бродерсон говорит, что одной из самых больших кривых обучения было определение того, какое давление нужно использовать для насоса большого объема охлаждающей жидкости для удаления стружки и заливки детали без изменения размеров обрабатываемой детали. Если давление слишком высокое, поток охлаждающей жидкости может изменить размеры пластиковых деталей. Цех также столкнулся со скручиванием некоторого пруткового материала из-за того, что шпиндель станка так быстро набирал скорость. Исправление для этого заключалось в более медленном увеличении скорости. Еще одна проблема заключалась в том, чтобы узнать, какие элементы детали можно обрабатывать, а когда их следует секвенировать.

Существенные проблемы

По словам Бродерсона, одной из общих проблем, с которой в последнее время столкнулся его магазин, является разнообразие пластиковых материалов. Хотя он пытается покупать у поставщиков из США, даже некоторые из них продают материалы, произведенные за границей. «Мы должны быть очень конкретными при заказе», — говорит он.

В одном примере мастерская заказала материал FR4 для работы, настроив процесс обработки для этой партии материала. Затем он заказал еще одну партию, когда работа вернулась. Однако, несмотря на то, что вторая партия соответствовала той же классификации NEMA для электрических корпусов, вариаций смолы и стеклянного наполнителя было достаточно, чтобы данные резки и инструменты, использовавшиеся в предыдущей партии FR4, не были совместимы с новой партией. «Удерживать две тысячи в таком материале достаточно сложно, но различия между партиями усложняют задачу еще больше».

Основы термореактивных материалов, термопластов

K&E имеет 54-летний опыт работы с конструкционными пластмассами. В магазине говорят, что термореактивные материалы хорошо подходят для приложений, требующих высокой термостойкости и электрической изоляции. Сшивающие полимеры в термореактивных материалах образуют необратимые связи, что устраняет риск плавления продукта при повторном применении тепла. Они также обладают превосходными свойствами износостойкости и стабильности размеров, будучи легче металлов.

Поскольку гранулы термопласта размягчаются при нагревании и разжижаются при подаче дополнительного тепла, процесс отверждения является полностью обратимым, так как не происходит химической связи. Это позволяет формовать и перерабатывать термопласты без негативного влияния на физические свойства материалов. Преимущества термопластов включают химическую стойкость, ударопрочность, электрическую изоляцию, низкое влагопоглощение, низкий коэффициент трения, снижение износа сопрягаемых деталей и устранение смазки во время работы изделия.