Мастерство ЧПУ обработки пластиков: нишевое преимущество

Обработка пластиков представляет вызовы в плане инструмента, зажимания и управления щепой (и пылью). (Фото: K&E Plastics.)

Хотя есть преимущества в том, чтобы быть нишевым ЧПУ цехом, могут быть и особые вызовы. K&E Plastics в Беннингтоне (Вермонт) — пример.

Как подразумевает имя подрядного цеха, он фокусируется исключительно на обработке инженерных пластиков — как термопластов, так и термореактивных — и делает это с 1966 года, когда Питер Бродерисон основал K&E. Его сын, Эрик, теперь президент компании.

Поскольку не так много цехов специализируются на обработке пластиков, включая термореактивные, такие как G7 и G10, наполненные абразивным стеклом, конкуренция меньше по сравнению с теми, кто обрабатывает алюминий, сталь и другие обычные металлы. Однако незнание пластиков поставщиками оборудования и инструмента означало, что K&E иногда оставалась наедине с собой, чтобы придумать стратегии для эффективной обработки этих материалов.

Я узнал о некоторых из этих вызовов, когда посетил K&E в 2013 году, чтобы написать свою первую историю о цехе. Потребность в сборе пыли. Трудности с закреплением пластиков. Проблемы с инструментом при обработке стеклонаполненных термореактивных пластиков. Список идет дальше…

Хотя я не смог физически вернуться в K&E для этой истории, я ценю переподключение и слышу о том, какие новые технологии и процессы цех добавил, чтобы стать более способным и эффективным в обработке пластиков. Это включает иной взгляд на инструмент и зажимание, и добавление своего первого швейцарского токарного станка для достижения более тугих допусков и более быстрого производства сложных деталей из термопластов, таких как полиэтератэтетон (PEEK), которые ранее работали на традиционных ганг-токарных станках. Этот станок также позволил цеху вернуть ранее аутсорсинговую работу в-house.

Новые возможности, новые подходы

Изначально K&E фокусировалась на пластиковых деталях исключительно для электрических применений, учитывая отличные изоляционные свойства материалов (см. боковую панель ниже). Когда Бродерисон взял управление бизнесом от отца 27 лет назад, он стремился диверсифицировать компанию, идя за неэлектрическими применениями в медицинской и авиационной отраслях. Сегодня она также преследует возможности в новых энергетических технологиях, таких как электромобили, топливные элементы и накопление энергии. Цех сертифицирован по ISO 9001:2015, имеет регистрацию International Traffic in Arms Regulations (ITAR) и сертифицирована как часть Joint Certification Program (JCP), позволяя выигрывать секретную оборонную работу. Также имеет сертификацию по программе Historically Underutilized Business Zones (HUBZone), помогающей малому бизнесу в городских и сельских сообществах получать преференциальный доступ к федеральным закупкам.

30 000 кв. футов цеха включают ряд ЧПУ фрезерных станков, ВМЦ и токарных станков — 28 всего. Большинство из них — модели Haas Automation. Швейцарский токарный станок, приобретенный в 2018 году — модель Tsugami S205 (подробнее позже). В зависимости от материала, они могут обрабатывать детали с использованием СОЖ или сухо с помощью холодновоздушных пушек для охлаждения режущих операций и помощи в ломке щепок.

СОЖ иногда используются для ненаполненных термопластов. Масляные СОЖ не могут использоваться, потому что они часто деградируют пластик. Вместо этого K&E использует водные СОЖ, такие как Trim Microsol 585XT от Master Fluid Solutions. Говорится, что это высокосмазывающее, полусинтетическое, микроэмульсионное СОЖ, предлагающее длительную жизнь эмульсии и лучший контроль пены по сравнению с предыдущими поколениями полусинтетиков.

Однако многие термореактивные пластики обрабатываются сухо. Эти материалы часто наполнены стеклом или другими абразивными материалами, создающими пыль при обработке. Эффективный сбор пыли императивен для поддержания чистой рабочей среды и продления жизни станков. Фактически, вентиляционные каналы, используемые для сбора пыли, придают цеху особый вид.

Вентиляция проложена в рабочую зону каждого оборудования, обрабатывающего пластик сухо. Цех недавно добавил вторую систему сбора пыли производительностью 18 000 куб. фут/мин, позволяющую добавить до 12 еще центров обработки для сухой обработки пластика.

Тепло — главная проблема при обработке любого пластика. Горение материала возможно при слишком высокой скорости инструментов. Плюс, без эффективного удаления щепок, обработанный материал может повторно свариваться обратно к заготовке. Геометрия желобов инструмента играет ключевую роль в выводе щепок наружу и подальше от заготовки, как и холодновоздушные струи. Однако термореактивные ламинаты, такие как G7 и G10, также склонны к расслоению, в зависимости от прочности связи смолы и того, как детали обрабатываются.

Термопласты обычно обрабатываются с использованием водных СОЖ. Нефтяные СОЖ могут деградировать пластиковый материал.

Цех недавно начал использовать режущий инструмент от Datron Dynamics. Один пример — 6-мм диаметром, полированный, одножелобовый твердосплавной фрезы. По словам компании, многостадийный процесс шлифовки обеспечивает острые, полированные края для обработки без заусенцев, сокращая или устраняя необходимость ручной доводки деталей.

Другой — твердосплавные фрезы с аморфным алмазным покрытием для композитов от Harvey Tool. Говорят, 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 щеполовом, которая эффективно сдирает волокна и укорачивает щепки для улучшенного удаления щепок.

Кроме того, K&E теперь использует пушечные сверла от Sterling, когда требуется повторно производить точные глубокие отверстия с качественными чистотами поверхности.

Цех также начинает стандартизироваться на системе зажимания инструмента PowRgrip от Rego-Fix для своих центров обработки. Причина в том, что традиционные системы держав приводили к биению до 0,002 дюйма, что было неприемлемо для элементов деталей с очень тугими допусками. «Теперь мы на 4 десятых биения», — говорит Бродерисон, — «давая нам лучшие чистоты поверхностей и меньший износ инструмента, достигая требуемых допусков обработки».

Эта система состоит из точных коллетных держав и настольного гидравлического пресса для вставки или извлечения коллетов из держав. Коллет имеет мелкий самозапирающийся конус и прессуется в державу с силой 9 тонн. Также имеет квадратное плечо, контактирующее с державой при прессовке. Этот дизайн с позитивным упором позволяет использовать встроенный резервный винт для точной установки длины инструмента. Эти державы обладают высокими зажимными силами и демпфированием вибраций, и полным индикаторным биением (TIR) ≤ 3 микрон при соотношении длины к диаметру 3:1. Rego-Fix говорит, что эта система зажимания также позволяет быстрее и безопаснее менять инструменты, чем термоусадочные системы. Сборка нового инструмента, как говорится, занимает менее 10 секунд. «В нашем цехе примерно 800 таких держав сейчас, но мы продолжаем добавлять больше», — говорит Бродерисон.

Для зажимания деталей некоторые станки используют вакуумные патроны для ускорения переустановок и обеспечения доступа инструментов к пяти сторонам детали. Аналогично, K&E начала использовать общие базовые плиты с тисками Chick. Бродерисон говорит, что потому что тиски Chick предлагают лучшую повторяемость позиционирования и плиты устанавливаются в общее местоположение, зондирование при наладках не требуется по сравнению с тем, когда цех просто приболчивал тиски к столам станков. Цех также сохраняет и хранит губы тисков для использования при повторении заказов.

Для максимизации времени работы шпинделя для трех своих ВМЦ, K&E добавила паллет-сменную систему Midaco к каждой. Это позволяет каждому станку продолжать обработку заказа, пока новый материал зажимается на паллете вне станка. После завершения заказа его паллета выезжает, а новая с следующим заказом, закрепленным на ней, въезжает.

Зачем добавить швейцарский тип?

Бродерисон говорит, что перед добавлением S205 пару лет назад, K&E отдавала работу на аутсорсинг в цехи на автоматах для выборочных заказов. Со временем объем этой аутсорсинговой работы продолжал расти. Кроме того, уровень брака или отбраковки для тугоподатливых заказов, работавших на некоторых из её ганг-токарных станков, иногда был выше, чем хотелось. Цех определил, что швейцарский тип с фирменной конструкцией направляющей втулки и многофункциональной способностью обеспечит требуемые точности и позволит цеху держать эту работу в-house.

Tsugami S205 с 20-мм прутковой вместимостью и прутковым загрузчиком Edge Technologies Minuteman 320 SE был приобретен через дистрибьютора Tsugami/REM Sales, The Robert E. Morris Company. Джон Рикарди, менеджер по аккаунтам компании, говорит, что станок включал систему подачи СОЖ 1000 psi (преимущественно для управления щепками), а также блок сбора тумана, щепоконвейер, специальный желоб для приема длинных деталей из контршпинделя и возможность конвертации в зажимной токарный станок.

Возможно, самый большой аргумент продажи для этого станка — он спроектирован для работы с водным СОЖ, чтобы не деградировать пластиковые заготовки, как сделал бы масляный СОЖ. Рикарди говорит, что положительное воздушное давление для инструментальных насадок и шпинделей предотвращает попадание СОЖ в подшипники и вымывание их смазочного масла. Кроме того, водная смазка используется в каналах пруткового загрузчика.

Швейцарский тип используется для деталей, требующих очень тугих допусков. Бродерисон говорит, что давление инструмента может вызывать коничность при обработке пластиковых деталей на обычных токарных станках. Фирменная направляющая втулка швейцарского типа обеспечивает поддержку в зоне реза для устранения этой проблемы. Кроме того, станок очень хорошо повторяется, говорит он. Однажды процесс налажен, больше нет процесса «режь, измеряй, повторяй». Плюс, прутковый загрузчик имеет вместимость для 12-футовых прутков. K&E обычно запускает 10-футовые прутки, что позволяет более длинные периоды беспилотной обработки по сравнению с обычными токарными станками с 4-футовыми прутковыми загрузчиками. Для материала, такого как PEEK, обычно заказывают прутковый материал, зашлифованный до +0,002 / -0 дюйма.

Тем не менее, цех может снять направляющую втулку и эксплуатировать станок как обычный зажимной токарный станок, запуская заказ с тем же подходом к обработке, что и стандартный токарный станок.

Бродерисон говорит, что один из самых больших обучающих кривых был определение, сколько давления использовать на высоконапорном насосе СОЖ для удаления щепок и заливки детали без изменения размеров обрабатываемой детали. Если давление слишком высокое, поток СОЖ может изменить размер пластиковых деталей. Цех также столкнулся с скручиванием некоторых прутковых материалов, потому что шпиндель станка так быстро разгонялся до скорости. Исправление — разгон до скорости медленнее. Другой вызов — изучение, какие элементы на детали могут быть обработаны и когда их следует последовать.

Проблемы с материалами

Одна общая проблема, с которой цех недавно сталкивается — вариабельность пластикового материала. Хотя он пытается закупаться у американских поставщиков, даже некоторые из них продают материал, произведённый за границей. «Мы должны быть очень специфичны при заказе», — говорит он.

В одном примере цех заказал материал FR4 для заказа, наладив свой процесс обработки для той партии материала. Затем заказал другую партию, когда заказ повторился. Однако, даже хотя вторая партия соответствовала той же классификации NEMA для электрооборудования, вариация смолы и стеклянного наполнителя была достаточной, чтобы данные резания и инструменты, использованные в предыдущей партии FR4, не были совместимы с новой партией. «Держать две тысячные в таком материале уже достаточно трудно, но вариация между партиями делает это еще сложнее».

Основы термореактивных пластиков, термопластов

K&E имеет 54 года работы с инженерными пластиками. Цех говорит, что термореактивные пластики хорошо подходят для применений, требующих высокой теплостойкости и электрической изоляции. Перекрестно-связанные полимеры в термореактивных пластиках формируют необратимые связи, устраняя риск плавления продукта при повторном нагревании. Они также предлагают отличные свойства износостойкости и размерной стабильности, будучи легче металлов.

Поскольку гранулы термопластов размокают при нагревании и переходят в жидкое состояние при дополнительном нагревании, процесс отверждения полностью обратим, так как химическая связь не происходит. Это позволяет термопластам быть переплавленными и переработанными без негативного влияния на их физические свойства. Термопласты предлагают преимущества, включая химическую стойкость, ударную стойкость, электрическую изоляцию, низкое впитывание влаги, низкий коэффициент трения, сниженный износ сопряженных деталей и устранение смазки во время эксплуатации продукта.