PE plastinė deformacija yra tikra problema. Vienas neteisingas pjūvis ir jūsų detalė deformuojasi, susisuka arba susitraukia viršydama tolerancijos ribas. Tai matėme daugiau kartų, nei galime suskaičiuoti.
PE deformacijos valdymas CNC apdirbimo procese susiveda į penkias pagrindines sritis: deformacijos priežasčių supratimą, vidinių įtempių mažinimą prieš pjovimą, šilumos valdymą pjovimo metu, tinkamo tvirtinimo elementų naudojimą ir pastūmos greičio valdymą. Tinkamai atlikus šiuos penkis veiksmus, jūsų PE detalės išlaikys savo matmenis.
Kaip valdyti PE plastinę deformaciją CNC apdirbimo procese
Savo gamykloje Kunšane reguliariai dirbame su PE medžiagomis. Kai kurie mūsų klientai kreipiasi į mus būtent dėl to, kad susidūrė su deformacijos problemomis, susijusiomis su kitais tiekėjais. Per daugelį metų supratome, kad PE elgiasi labai skirtingai nei metalas ir su juo negalima elgtis vienodai. Penki toliau nurodyti metodai yra tai, ką mes naudojame kasdien, kad mūsų PE dalys atitiktų tolerancijas.
Kodėl PE medžiaga deformuojasi CNC apdirbimo metu?
Dauguma mechanikų žino apie PE deformacijas. Tačiau ne daugelis tiksliai žino, kodėl tai vyksta. Nesuprasdami pagrindinės priežasties, jūs tik spėliojate apie sprendimus.
PE deformuojasi CNC apdirbimo metu dėl mažo šilumos laidumo, didelio šiluminio plėtimosi koeficiento ir didelių vidinių įtempių gamybos procese. Šie trys veiksniai kartu daro PE viena iš labiausiai deformacijai linkusių medžiagų mechaninės dirbtuvėse.
Kodėl PE plastikas deformuojasi CNC apdirbimo metu
Norint suprasti PE deformaciją, reikia giliau pažvelgti į medžiagą. PE yra pusiau kristalinis polimeras. Tai reiškia, kad jo struktūroje yra ir kristalinių, ir amorfinių sričių. Šios dvi sritys į šilumą ir pjovimo jėgas reaguoja skirtingu greičiu. Kai pjovimo įrankis generuoja šilumą, amorfinės sritys suminkštėja ir atsipalaiduoja greičiau nei kristalinės sritys. Dėl šio netolygaus atsako detalės viduje atsiranda įtempis, o šis įtempis sukelia deformaciją ir matmenų poslinkį.
Trys pagrindinės PE deformacijos priežastys
| Sukelti | Kas atsitinka | Kodėl tai svarbu |
|---|---|---|
| Žemas šilumos laidumas | Karštis išlieka pjovimo zonoje | Temperatūra greitai kyla ir medžiaga minkštėja |
| Didelė šiluminė plėtra | Medžiaga žymiai išsiplečia veikiant karščiui | Matmenys keičiasi pjovimo metu ir po jo |
| Liekamasis vidinis įtempis | Įtempis, užfiksuotas dėl ekstruzijos ar liejimo | Atlaisvinamas apdirbimo metu, dėl to deformuojasi |
Taip pat yra ir konkrečiai rūšiai būdingas veiksnys. UHMWPE ir HDPE tomis pačiomis pjovimo sąlygomis elgiasi labai skirtingai. UHMWPE turi daug didesnę molekulinę masę, todėl jis yra labiau linkęs tepti ir aplipti įrankiu. HDPE yra atlaidesnis, tačiau vis tiek reikalauja kruopštaus šilumos valdymo. Žinoti konkrečią PE rūšį prieš pradedant planuoti apdirbimo strategiją nėra nebūtina. Tai pirmas žingsnis.
Kokios yra pagrindinės plastikinių detalių deformacijos priežastys atliekant individualų apdirbimą?
Pristatote detalę, kuri atrodo tobulai. Po dviejų dienų paskambina klientas ir sako, kad ji deformuota. Taip nutinka. Ir tai erzina visus dalyvaujančius.
Plastikinių detalių deformaciją atliekant individualius apdirbimus dažniausiai lemia netolygus įtempių sumažinimas, asimetrinis medžiagos pašalinimas ir netinkamas prispaudimas. Šios trys priežastys veikia atskirai arba kartu ir deformuoja detalės formą, kartais praėjus valandoms ar dienoms po to, kai ji palieka mašiną.
Pagrindinės plastikinių detalių deformacijos priežastys CNC apdirbimo metu
Deformacija nėra vien tik apdirbimo problema. Ji prasideda dar prieš atliekant pirmąjį pjūvį. PE ruošinys patiria vidinį įtempį dėl jam pagaminti naudojamo ekstruzijos arba liejimo proceso. Šis įtempis išlieka tol, kol medžiaga lieka nepakitusi. Vos tik pradedate šalinti medžiagą, sutrinka jėgų pusiausvyra detalės viduje. Įtempis, kuris buvo užfiksuotas, dabar turi vietos judėti, ir jis tai daro.
Kaip veikia kiekviena iškraipymo priežastis
| Sukelti | Mechanizmas | Bendras scenarijus |
|---|---|---|
| Netolygus streso išleidimas | Medžiaga atsipalaiduoja skirtingu greičiu visoje detalėje | Viena plokščios plokštės pusė išlinksta į viršų, kai susiduriama su |
| Asimetrinis medžiagos šalinimas | Daugiau medžiagos pašalinama iš vienos pusės, sukuriamas jėgos disbalansas | Gilios įdubos, frezuotos tik vienoje pusėje |
| Netinkamas prispaudimas | Per didelė arba netolygi prispaudimo jėga deformuoja detalę apdirbimo metu | Plonos sienelės sutraiškomos standartiniais spaustuvais |
| Terminis gradientas | Netolygus šilumos pasiskirstymas sukelia netolygų plėtimąsi | Vienas ilgos dalies galas įkaista labiau nei kitas |
Pavojingiausias scenarijus yra asimetrinis medžiagos šalinimas. Kai frezuojate didelę įdubą vienoje PE plokštės pusėje, pašalinate medžiagą, kuri balansavo vidinį įtempį toje pusėje. Kitoje pusėje išlieka pradinis įtempis. Detalė lenkiasi į tą pusę, iš kurios buvo pašalinta medžiaga. Sprendimas – apdirbti abi puses etapais, kaitaliojant pjūvius, kad įtempis būtų subalansuotas viso proceso metu. Tai padidina laiką, bet tai teisingas būdas apdoroti tokio tipo detalę.
Kaip galima sumažinti vidinį įtempį prieš apdirbant PE komponentus?
Galite naudoti geriausius įrankius, tinkamą greitį ir tobulus tvirtinimo elementus. Tačiau net jei jūsų žaliava yra stipriai įtempta, jūsų dalys vis tiek judės po apdirbimo.
PE komponentų vidinius įtempius prieš apdirbimą galima gerokai sumažinti naudojant dviejų pakopų atkaitinimo procesą. Pirmasis etapas skirtas paviršiaus įtempiui sumažinti maždaug 80 °C temperatūroje, o antrasis etapas skirtas giliam vidinių įtempių relaksacijai maždaug 120 °C temperatūroje.
Kaip sumažinti vidinį įtempį PE prieš CNC apdirbimą
Atkaitinimas yra efektyviausias PE medžiagos apdirbimo prieš apdirbimą būdas. Principas paprastas. Medžiaga įkaitinama iki kontroliuojamos temperatūros, palaikoma tokioje temperatūroje pakankamai ilgai, kad įtempis sumažėtų, o tada lėtai ataušinama. Greitas aušinimas vėl sukuria įtempį, todėl aušinimo greitis yra toks pat svarbus kaip ir kaitinimo temperatūra.
Dviejų pakopų PE atkaitinimo protokolas
| Etapas | temperatūra | Tikslas | Laikykite laiką |
|---|---|---|---|
| 1 etapas – paviršiaus reljefas | 80 ° C | Atpalaiduokite paviršiaus lygio liekamąjį įtempį | 1 valanda kas 10 mm storio |
| 2 etapas – gilus atsipalaidavimas | 120 ° C | Atpalaiduokite įtempį medžiagos šerdyje | 2 valandos 10 mm storio sluoksniui |
| Aušinimas | Kambario temperatūra | Užkirsti kelią terminio įtempio pakartotiniam atsiradimui | Lėtas oro vėsinimas, be gesinimo |
Be atkaitinimo, taip pat rekomenduojame 24–48 valandų poilsio laikotarpį tarp grubaus apdirbimo ir apdailos operacijų. Grubus apdirbimas vienu metu atpalaiduoja didelį įtempį. Prieš apdirbant galutinius matmenis, detalei reikia laiko stabilizuotis. Jei pereisite tiesiai nuo grubaus apdirbimo prie apdailos be šio poilsio laikotarpio, detalė toliau judės ir po apdailos operacijos. Pastebėjome, kad per kelias valandas po grubaus apdirbimo matmenys pasislenka nuo 0.1 mm iki 0.3 mm. Detalių, kurių tolerancijos griežtos, atveju šis poslinkis nukryps nuo specifikacijos dar prieš pradedant tikrinimo etapą.
Kokios aušinimo strategijos apsaugo nuo PE plastikų terminės deformacijos?
Karštis yra didžiausias jūsų priešas apdirbant PE. Per didelis karštis suminkština medžiagą, pakeičia jos matmenis ir sukelia nuolatinę deformaciją. Tinkamas aušinimas yra būtinas pasirinkimas.
Geriausios PE plastikų aušinimo strategijos apima minimalaus kiekio tepimą (MQL) HDPE rūšims ir kriogeninį aušinimą UHMWPE rūšims. Tikslas – pašalinti šilumą iš pjovimo zonos neužpildant detalės skysčiu, kuris sukeltų jos matmenų problemas.
Aušinimo strategijos, skirtos išvengti PE plastikų terminės deformacijos
Skirtingoms PE rūšims reikia skirtingų aušinimo būdų. Tai viena iš sričių, kurioje negalima taikyti vieno universalaus metodo. HDPE turi mažesnę molekulinę masę ir gerai toleruoja minimalų lyginimą (MQL). Maža, nukreipta rūko srovė palaiko įrankio vėsumą ir pašalina drožles nuo pjovimo zonos. Su itin dideliu molekuliniu masyvu (UHMWPE) yra kitaip. Dėl labai didelės molekulinės masės įšilęs jis tepasi, o ne pjauna švariai. UHMWPE atveju kriogeninis aušinimas skystu azotu arba anglies dioksidu sumažina pjovimo zonos temperatūrą tiek, kad medžiaga išliktų trapi ir formuotų drožles, o ne minkšta ir teptųsi.
PE klasės ir rekomenduojama aušinimo strategija
| PE klasė | Rekomenduojamas aušinimas | Kodėl |
|---|---|---|
| DTPE | Minimalus tepimo kiekis (MQL) | Toleruoja vidutinę temperatūrą, minimalus glaistas (MQL) palaiko įrankio švarą |
| UHMWPE | Kriogeninis aušinimas (LN2 arba CO2) | Didelė molekulinė masė sukelia tepimą šildant |
| MTPE | Oro pūtimas su MQL | Minkšta medžiaga, per didelis skysčio kiekis gali sukelti matmenų problemų |
Pertraukiamo pjovimo strategija veikia kartu su aušinimo metodu. Vietoj nuolatinio pjovimo, įrankis periodiškai pristabdomas, kad išsisklaidytų šiluma. Šis metodas žymiai sumažina bendrą šiluminį poveikį pjovimo zonoje. Ilgo paviršiaus apdorojimo operacijoms su didelėmis PE plokštėmis naudojame praėjimo ir pauzės metodą, kai kas kelias minutes sustabdome veleną ir leidžiame detalei sušilti iki beveik kambario temperatūros, prieš tęsdami darbą. Tai pailgina darbą, bet yra daug pigiau nei deformuotos detalės išmetimas.
Kurie tvirtinimo būdai sumažina PE detalės iškraipymą?
Detalė, kuri apdirbimo metu buvo neteisingai pritvirtinta, bus neteisinga ir po apdirbimo. PE tvirtinimo būdas visiškai skiriasi nuo aliuminio ar plieno tvirtinimo būdo.
Tvirtinimo būdai, kurie sumažina PE detalių deformaciją, yra vakuuminiai tvirtinimo elementai, minkšti žandikauliai ir paskirstytas prispaudimas. Šie metodai paskirsto prispaudimo jėgą dideliame plote ir palaiko kontaktinį slėgį mažesnį nei 1.5 MPa, kad būtų išvengta deformacijos prispaudimo taškuose.
Tvirtinimo būdai, skirti sumažinti PE detalių iškraipymą CNC apdirbimo metu
PE yra minkštas ir lankstus. Standartiniai metaliniai spaustuvų žandikauliai sutelkia prispaudimo jėgą nedideliame plote. Tokios jėgos koncentracijos pakanka, kad PE medžiaga būtų lokaliai deformuota, o dėl šios vietinės deformacijos detalės matmenys pasikeičia net ir atleidus spaustuvą. Sprendimas – naudoti tvirtinimo elementus, kurių sąlyčio paviršiai yra tris–penkis kartus didesni nei tų, kuriuos naudotumėte lygiavertėms metalinėms detalėms.
PE dalių tvirtinimo metodų palyginimas
| Tvirtinimo metodas | Kontaktinė sritis | Maksimalus slėgis | geriausias |
|---|---|---|---|
| Standartiniai spaustuvai | mažas | Didelis – dažnai viršija 1.5 MPa | Metalinės dalys, ne PE |
| Minkšti žandikauliai (HDPE arba aliuminis) | vidutinis | Kontroliuojami | Tekinti PE komponentai |
| Vakuuminis šviestuvas | Didelis | Labai žemas, tolygiai paskirstytas | Plokščios PE plokštės ir lakštai |
| Specialus „Nest“ šviestuvas | Pilnas profilio kontaktas | Labai žemas | Sudėtingos formos PE dalys |
| Spaustukai su pagalvėlėmis | vidutinis | Kontroliuojami | Antrinės operacijos |
Vakuuminiai tvirtinimo elementai yra mūsų pageidaujamas sprendimas plokščiam PE apdirbimui. Jie laiko detalę per visą jos apatinį paviršių beveik be taškinės apkrovos. Detalė guli plokščiai ir išlieka plokščia apdirbimo metu. Tekintoms detalėms gaminame minkštus žnyples iš HDPE arba aliuminio, kurių profilis atitinka detalės skersmenį. Tai paskirsto griebtuvo jėgą didesniame plote ir apsaugo nuo žnyplių žymių atsiradimo ant apdirbto paviršiaus. Abiem atvejais principas yra tas pats: paskirstyti prispaudimo jėgą, palaikyti žemą slėgį ir neleisti tvirtinimo elementui padaryti žalos, kurią vėliau turi ištaisyti jūsų pjovimo įrankis.
Kaip padavimo greitis veikia PE medžiagos matmenų stabilumą?
Greičio nustatymai yra svarbūs paviršiaus apdailai. Pastūma yra svarbi matmenų stabilumui. Daugelis mechaninių mechanikų daugiausia dėmesio skiria veleno greičiui ir pamiršta, kad pastūma turi tiesioginės įtakos tam, ar jūsų PE detalė išlaiko savo matmenis.
Padavimo greitis turi įtakos PE matmenų stabilumui, nes jis vienu metu kontroliuoja drožlės storį ir šilumos išsiskyrimą. Per mažas padavimo greitis sukelia trintį, o ne pjovimą, todėl susidaro per didelis karštis. Per didelis padavimo greitis sukelia deformacijos jėgas, kurios išstumia medžiagą iš padėties.
Pastūmos greičio ir PE elgsenos santykis yra pusiausvyra. Kai pastūma per maža, įrankis pjauna neefektyviai. Jis trinasi ir aria medžiagą, o ne ją švariai pjauna. Dėl šios trinties detalės paviršiuje susidaro trinties šiluma. Ši šiluma vietoje suminkština PE, o suminkštėjęs PE šiek tiek teka veikiant pjovimo slėgiui. Rezultatas – paviršius, kuris atrodo apdirbtas, tačiau turi liekamąjį įtempį ir nedidelį matmenų netikslumą dėl terminio suminkštėjimo.
Padavimo greičio įtaka PE apdirbimo rezultatams
| Padavimo greičio sąlyga | Šilumos generavimas | Pjovimo jėga | Matmenų rizika |
|---|---|---|---|
| Per žemai (trynimasis) | Didelės trinties dominuojama | žemas | Terminis minkštinimas, paviršiaus tepimas |
| Optimalus diapazonas | Mažas švarus drožlių susidarymas | Vidutinis ir nuoseklus | Stabilūs matmenys, nuspėjamas elgesys |
| Per aukštas (perkrovimas) | vidutinis | aukštas | Detalės deformacija, tvirtinimo elemento slydimas |
Įrankio geometrija tiesiogiai veikia padavimo greitį. Teigiamas nuolydžio kampas nuo 15 iki 20 laipsnių yra tinkamas pasirinkimas PE apdirbimui. Teigiamas nuolydžio kampas sumažina pjovimo jėgą, reikalingą medžiagai pjauti. Mažesnė pjovimo jėga reiškia mažiau šilumos ir mažesnio išlinkimo. Deimanto pavidalo anglies (DLC) dangos ant pjovimo įrankių dar labiau sumažina trintį ir pailgina įrankio tarnavimo laiką, todėl pjovimo geometrija išlieka pastovi per visą gamybos procesą. Susidėvėjęs įrankis su sugedusia geometrija pakeis optimalų padavimo greičio diapazoną ir duos nepastovius rezultatus, net jei visi kiti parametrai išliks tokie patys.
Kokie kokybės kontrolės metodai užtikrina, kad PE dalys atitiktų tolerancijos reikalavimus?
Jūsų detalė atrodė gerai, kai išriedėjo iš mašinos. Operatoriaus patikrinus detalę, ji neviršijo leistinų nuokrypių. Po trijų dienų jūsų klientas ją išmatuoja ir sako, kad detalė neatitinka specifikacijų. Tai yra su PE susijusi kokybės kontrolės problema.
PE detalių kokybės kontrolė turi atsižvelgti į matmenų pokyčius po apdirbimo. PE matmenys keičiasi dar 72–120 valandų po apdirbimo, nes sumažėja liekamieji įtempiai. Veiksmingi kokybės kontrolės metodai apima atidėtą galutinę patikrą, išankstinį matmenų kompensavimą ir realaus laiko šiluminį stebėjimą apdirbimo metu.
72–120 valandų trukmės matmenų evoliucijos langas yra ta PE kokybės kontrolės dalis, kuri užklumpa daugumą žmonių. Detalė iš karto nepasiekia galutinių matmenų, kai mašina sustoja. Vidinis įtempis, kuris buvo sutrikdytas apdirbimo metu, dar kelias dienas atsipalaiduoja ir persiskirsto. Detalė juda. Kartais šis judėjimas yra pakankamai mažas, kad būtų galima jį ignoruoti. Detalių, kurių tolerancijos yra mažos, pavyzdžiui, aviacijos ir kosmoso komponentų, kuriems reikalingas ±0.025 mm tikslumas, atveju šis judėjimas yra reikšmingas.
PE dalies kokybės kontrolės protokolas pagal taikymą
| taikymas | Tolerancijos reikalavimas | Kokybės metodas | Patikrinimo laikas |
|---|---|---|---|
| Bendroji pramonė | ±0.1 mm arba laisviau | Standartinis KMM arba rankinis matavimas | 24 valandų po apdirbimo |
| Automobilių komponentai | ± 0.05mm | KMM su temperatūros kontroliuojama patalpa | 48 valandų po apdirbimo |
| Medicinos / Puslaidininkių | ±0.025 mm arba siauresnis | KMM + paviršiaus profilometras + terminis vaizdavimas | 72–120 valandų po apdirbimo |
| Aviacija | ±0.025 mm arba siauresnis | Išsamus patikrinimo protokolas su dokumentuota termine istorija | 120 valandų po apdirbimo |
Proaktyvus kompensavimo metodas yra praktiškas sprendimas didelio tolerancijos lygio darbams. Apdailos etape sąmoningai apdirbame kritines detales, kurių matmenys viršija 0.1–0.3 %. Po 72–120 valandų stabilizavimo laikotarpio atliekame pakartotinę apžiūrą ir, jei reikia, atliekame lengvą galutinį praėjimą, kad detalė atitiktų tikslias specifikacijas. Medicinos ir puslaidininkių klientams taip pat saugome dokumentuotas kiekvienos detalės termines istorijas. Ši dokumentacija rodo, kad apdirbimo metu detalė niekada neviršijo kritinės terminės ribos, o tai atitinka šių pramonės šakų norminius ir kokybės sistemos reikalavimus. Šių sričių paviršiaus apdailos reikalavimai, paprastai Ra mažesnis nei 0.4 μm, reikalauja, kad galutinė operacija būtų deimantinis tekinimas.
Išvada
Norint valdyti PE deformaciją CNC apdirbimo procese, reikia kartu valdyti įtempius, šilumą, tvirtinimą, padavimo greitį ir patikrą. Jei teisingai atliksite visus penkis veiksmus, jūsų PE dalys nuolat atitiks tolerancijas.
